طراحی شبکه زنجیره تامین خون کارآمد در بحران: یادگیری عصبی، بهینه سازی و مطالعه موردی

چکیده:

در سالهای اخیر توجه به زنجیره تامین خون در شرایط فاجعه بطور قابل توجهی افزایش یافته است. بلایا و به ویژه زلزله، پیامدهای نامطلوبی مانند تخریب، از دست دادن جان انسانها و تضعیف اثربخشی خدمات بهداشتی را به دنبال دارد. این تحقیق یک زنجیره تامین خون شش سطحی را در بر می گیرد که شامل اهداکنندگان، مراکز جمع آوری خون (دائمی و موقت)، مراکز خون منطقه ای، مراکز خون محلی، بیمارستان های منطقه ای و بیمارستان های محلی است. برای اولین بار، در این مطالعه در نظر گرفته شده است که هلیکوپترها می توانند خون را از بیمارستانهای منطقه به بیمارستانهای محلی منتقل کرده و مصدومان را که به دلیل محدودیت ظرفیت در بیمارستانهای محلی قابل درمان نیستند، به بیمارستانهای منطقه ای بازگردانند. علاوه بر موارد فوق، حمل و نقل مختلف با ظرفیت محدود در نظر گرفته می شود، که در آن تعداد مطلوب تجهیزات حمل و نقل مورد نیاز پس از فرآیند حل تعیین می شود. هدف این تحقیق اجتناب از بدترین پیامدهای یک فاجعه با استفاده از یک فرآیند یادگیری عصبی با توجه به تجربیات گذشته برای مقابله با چالش های جدید است. برای این منظور، این مقاله سه عملکرد هدف را در نظر می گیرد که زمان و هزینه حمل و نقل و تقاضای برآورده نشده را به حداقل می رسانند. این مدل بر اساس یک مطالعه موردی در جهان واقعی از آخرین زمین لرزه در مرز ایران و عراق که مرگبارترین زلزله سال 2017 شناخته شد پیاده سازی شده است. بر اساس نتایج این مطالعه نحوه طراحی یک زنجیره تأمین خون کارآمد را که می تواند خون بیمارستان ها را پر کند طراحی کرده است.

کلمات کلیدی: زنجیره تامین خون، مدیریت بحران، امداد بشردوستانه، یادگیری عصبی، تحقیق در عملیات، برنامه نویسی چند هدفه  

 مقدمه:

توجه به زنجیره تامین خون در شرایط فاجعه در سالهای اخیر به میزان قابل توجهی افزایش یافته است. بلایا و به ویژه زلزله ، پیامدهای نامطلوبی مانند تخریب، کشتار انسانها و تضعیف اثربخشی خدمات بهداشتی را به دنبال دارد. منظور از زلزله ارتعاشات محسوس در پوسته زمین است که در اثر آزاد شدن ناگهانی انرژی در نتیجه جابجایی لایه ها در زیر زمین ایجاد می شود که منجر به امواج لرزه ای می شود.

یکی از چالش های مهم پس از وقوع زلزله چگونگی تامین خون افراد مصدوم در بیمارستان ها است. طبق آمارهای جهانی، ایران یکی از زلزله خیزترین کشورها است که سالانه با زلزله های مخرب زیادی روبرو می شود. در 26 دسامبر 2003، زمین لرزه ای به قدرت 6.6 ریشتر شهر بم را در ایران ویران کرد. در این فاجعه، 26،271 نفر کشته و 30،000 نفر مجروح شدند. از آنجا که تعداد مجروحان بسیار زیاد بود، بیمارستان ها خواستار خون رسانی فوری شدند. متأسفانه به دلیل زنجیره تأمین ناکارآمد خون، از تقریبا 108،000 واحد خون اهدایی، تنها 21،000 واحد به بیمارستان ها رسید، در حالی که در 4 روز اول پس از زلزله، تنها 1231 واحد از واحدهای خونی اهدایی به منطقه حادثه رسیده بود. تجربه در بم اهمیت زنجیره تأمین خون کارآمد در طول و پس از یک بلای طبیعی شدید را آشکار کرد. به تازگی، زمین لرزه شدید دیگری در غرب ایران رخ داد، در 12 نوامبر 2017، ساعت 21:48 به وقت محلی، زمین لرزه ای به بزرگی 7.3 ریشتر استان کرمانشاه در ایران و عراق را لرزاند. بر اساس برآوردها، تقریباً 700 نفر کشته شدند و تعداد مجروحان از 10 هزار نفر فراتر رفت. در جریان زلزله، در مناطق روستایی و شهری، 30 هزار واحد مسکونی به شدت آسیب دیدند که برخی از آنها کاملا تخریب شدند. به گفته مرکز لرزه نگاری ایران، بیش از 1000 پس لرزه ثبت شد به طوری که بزرگترین آن 4.7  ریشتر بود. این زلزله به عنوان مرگبارترین زلزله سال 2017 لقب گرفت.

توزیع خون به دلیل وجود متغیرهای مختلف تصمیم گیری مانند مدیریت موجودی، تخصیص، مکان یابی و مسیریابی یک کار پیچیده است. به محض وقوع بلایا، در 24 ساعت اول، تقاضای زیادی برای خون وجود خواهد داشت و مراکز جمع آوری خون ممکن است با تعداد قابل توجهی از گروه های اهدا کننده روبرو شود. بنابراین مدیریت و طراحی یک زنجیره تأمین خون کارآمد و موثر برای مقابله با این وضعیت ضروری است.

هدف این تحقیق ارائه استراتژی های کارآمد است که امکان اجرای موفق یک زنجیره تأمین خون کارآمد را فراهم می آورد. این استراتژی ها بسیار مهم هستند زیرا طراحی شبکه، سیستم های اطلاعاتی و فناوری ارتباطات اساس همکاری هایی هستند که بر اساس این استراتژی ها ایجاد شده اند. فرآیندهای یادگیری عصبی می توانند کارایی زنجیره تامین را به میزان قابل توجهی افزایش دهند. استفاده از فرایند یادگیری عصبی بر روی داده های گذشته و انسان می تواند اشکالات اصلی استراتژی های کنونی در مدیریت زنجیره تامین را روشن کند. هدف این تحقیق اجتناب از بدترین پیامدهای یک فاجعه است که از یک فرآیند یادگیری عصبی استفاده می کند تا از تجربیات گذشته برای غلبه بر چالش های جدید استفاده کند.

بررسی مقالات نشان می دهد که در هنگام وقوع بلایا، هجوم افراد آسیب دیده باعث می شود که بیمارستان های منطقه آسیب دیده برای تامین فوری واحدهای خونی برای نیازهای جراحی درخواست کنند. به منظور پرداختن به این مسئله، در این تحقیق، یک مدل ریاضی برای تدوین یک زنجیره تأمین خون کارآمد در بلایا ارائه شده است.

شکاف و مشارکت های تحقیقاتی

مدل پیشنهادی در این مقاله یک مدل ریاضی جدید است که برخی از شکافهای تحقیقاتی مهم در ادبیات را برطرف می کند. مطابق جدول زیر تاکنون هیچ تحقیقی با هدف یادگیری از تجربیات گذشته انجام نشده است. در بیشتر موارد، دانشمندان مدلهای غیر قابل یادگیری برای رسیدگی به این مسئله ایجاد کردند. با توجه به مثالهای زده شده در مورد بلایای ایران مانند تجربه بم و زلزله مرزی ایران و عراق در سال 2017 ذکر شد، این تحقیق با هدف توصیف استراتژیهای کارآمد مختلف مبتنی بر یادگیری است که امکان اجرای موفق زنجیره تأمین خون کارآمد را فراهم می آورد. این استراتژی ها بسیار مهم هستند زیرا طراحی شبکه، سیستم های فناوری اطلاعات و ارتباطات و مبانی همکاری در رابطه با این استراتژی ها ایجاد شده است. هدف ما این است که با در نظر گرفتن به حداقل رساندن زمان و هزینه در زنجیره تامین خون و به حداقل رساندن تقاضای برآورده نشده، که مهمترین کمبودهای زنجیره تامین خون فعلی در ایران است، از بدترین پیامدهای یک فاجعه جلوگیری کنیم. به عبارت دیگر، این تحقیق با هدف یادگیری و سازگاری با تجربیات گذشته به منظور مواجهه با موانع و مشکلات جدیدی که می تواند سطح خدمات را به میزان قابل توجهی افزایش داده و جان مردم را نجات دهد، انجام شده است. به عنوان مثال، تحویل سریع خون اهدایی به مناطق حادثه خیز و همچنین به حداقل رساندن تقاضای برآورده نشده مهمترین اهدافی است که باید با توجه به داده های گذشته و نظر کارشناسان در سرویس انتقال خون ایران (IBTO) در زنجیره تامین خون گنجانده شود.

طبق جدول زیر، می توان چنین استنباط کرد که اکثر تحقیقات قبلی بیمارستان های منطقه ای و محلی در زنجیره تامین خون را نادیده می گیرند. با این حال، در برنامه های کاربردی واقعی تقاضای خون در بیمارستان ها وجود دارد، در نظر گرفتن بیمارستان در زنجیره تامین ضروری است. از سوی دیگر، بیمارستانهای محلی در شهرهای کوچکتر در منطقه حادثه دیده با تجهیزات کمتری وجود دارد. علاوه بر این، برای اولین بار تصور می شود که هلیکوپترها می توانند خون را از بیمارستان های منطقه به بیمارستان های محلی منتقل کرده و افراد مجروح را که در بیمارستان های محلی درمان نمی شوند به بیمارستان های منطقه ای بازگردانند.

در این تحقیق، مدهای حمل و نقل مختلف با ظرفیت محدود در نظر گرفته شده است تا خون را به بیمارستان های منطقه حادثه منتقل کند. علاوه بر این، تعداد تجهیزات موجود در هریک از تاسیسات محدود در نظر گرفته می شود. حل مدل، تعداد بهینه تجهیزات مورد نیاز را تعیین می کند. علاوه بر این، در تمام تحقیقات قبلی در زمینه طراحی شبکه زنجیره تامین خون، هدف طراحی یک زنجیره تامین خون است که هدف آن به حداقل رساندن کل هزینه های زنجیره تامین است. از این رو، در مواقع اضطراری مانند زلزله، اولویت تامین خون در اسرع وقت محقق نمی شود. بنابراین، این تحقیق علاوه بر به حداقل رساندن هزینه های کل، دو عملکرد هدف دیگر را نیز در نظر می گیرد. این موارد عبارتند از: به حداقل رساندن کل زمان حمل و نقل و به حداقل رساندن تقاضای برآورده نشده. این مدل در یک مطالعه دنیای واقعی از آخرین زمین لرزه در استان کرمانشاه در مرز ایران و عراق که مرگبارترین زلزله سال (2017) نامیده شده است، اجرا شده است. برای حل مدل ریاضی چند هدفه، از روش چبیچف وزنی لکسیکوگرافی استفاده شده است و اطلاعات دقیق در مورد ساختار زنجیره تامین خون ارائه شده است. از آنجا که مدل پیشنهادی مبتنی بر یک ساختار یادگیری عصبی است که هدف آن ارائه استراتژی های کارآمد برای طراحی یک زنجیره تأمین خون کارآمد بر اساس یادگیری از تجربه است، نشان داده شده است که مدل پیشنهادی می تواند سطح خدمات را به میزان قابل توجهی افزایش داده و جان افراد را نجات دهد.

تعریف مسئله:

این تحقیق یک زنجیره تامین خون شش سطحی شامل گروه های اهدا کننده، مراکز جمع آوری خون، مراکز خون منطقه ای، مراکز خون محلی، بیمارستان های منطقه ای و بیمارستان های محلی است. قابل ذکر است، مراکز جمع آوری شامل مراکز خونگیری دائمی و موقت می شوند. شکل زیر ساختار زنجیره تامین خونرا نشان می دهد:

مدل پیشنهادی این تحقیق بر اساس یک فرآیند یادگیری عصبی ایجاد شده است که هدف آن ارائه استراتژی های کارآمد برای طراحی یک زنجیره تأمین خون کارآمد با توجه به تجربیات گذشته است. با توجه به داده های تجربیات مرزی بم و ایران -عراق ، ذکر می شود که زنجیره تأمین خون باید شامل دو عامل اصلی باشد:

·         باید بتواند تقاضای خون بیمارستان را به سرعت برآورده کند.

·         زنجیره تأمین خون باید طوری طراحی شود که تقاضای برآورده نشده خون را به حداقل برساند.

این دو عامل اصلی در زنجیره تامین خون می تواند کارایی و اثربخشی زنجیره تامین خون را به میزان قابل توجهی افزایش داده و جان افراد را نجات دهد.

در اولین مرحله از زنجیره تامین خون مورد نظر، گروههای اهداکننده به نزدیکترین مراکز جمع آوری خون اختصاص داده می شوند تا در اسرع وقت خون اهدا کنند. دو نوع سیستم جمع آوری خون شامل امکانات دائمی و موقت وجود دارد. امکانات دائمی ثابت است، در حالی که امکانات موقت قادر به انتقال از محلی به محل دیگر برای جمع آوری خون بیشتر هستند. سپس، برای آزمایش و ذخیره سازی، خون جمع آوری شده به مراکز خون منطقه ارسال می شود. خون ذخیره شده در مراکز خون منطقه ای با استفاده از هواپیما به مراکز خون محلی در منطقه بلایا ارسال می شود. مراکز خون محلی که در منطقه فاجعه واقع شده اند، مسئول انتقال خون به بیمارستان های منطقه هستند. علاوه بر این، فرض بر این است که مراکز خونی برای جلوگیری از کمبود، خون را نگهداری می کنند. به منظور انتقال خون از مراکز خون محلی به بیمارستان‌های منطقه ای و از مراکز جمع آوری خون به مراکز خون منطقه ای، دو نوع وسیله شامل آمبولانس و هلیکوپتر با ظرفیت محدود مورد استفاده قرار می گیرد. تعداد و ظرفیت وسایل حمل و نقل محدود است. در مدل ریاضی توسعه داده شده، تعداد بهینه وسایل حمل و نقل مورد نیاز تعیین می شود.

در این تحقیق، دو نوع بیمارستان شامل بیمارستانهای منطقه ای و بیمارستانهای محلی در نظر گرفته شده است. بیمارستانهای منطقه ای خدمات ویژه ای ارائه می دهند. با این حال، بیمارستانهای محلی گاهی اوقات قادر به برآوردن نیازهای خاص نیستند. از سوی دیگر، به دلیل ظرفیت پایین بیمارستانهای محلی در شرایط بحرانی، انتقال افراد مجروح به بیمارستانهای بزرگتر با خدمات بهتر و تجهیزات پیشرفته ضروری است. تقاضای خون بیمارستانهای محلی با بالگردهایی که از بیمارستانهای منطقه ای ارسال می شوند منتقل می شود. هلیکوپترهای بیمارستانهای منطقه مسئول حمل خون به بیمارستانهای محلی و بازگرداندن افراد مجروح به بیمارستانهای منطقه ای هستند. علاوه بر این، در این تحقیق ، تعداد و ظرفیت بالگردها محدود در نظر گرفته شده است.

فرمولاسیون پیشنهادی در این تحقیق بر اساس مفروضات مختلف واقع بینانه ایجاد شده است که کارایی و کاربرد مدل را در شرایط واقعی افزایش می دهد. پس از حل مدل پیشنهادی، تصمیمات زیر تعیین می شود:

1. تخصیص بهینه گروه های اهدا کننده به مراکز جمع آوری خون شامل امکانات دائمی و موقت.

2. محل بهینه امکانات جمع آوری خون.

3. تعداد مطلوب امکانات خونگیری واقع شده.

4. میزان خون اهدا شده توسط هر گروه اهدا کننده در هر مرکز جمع آوری خون دائمی یا موقت و میزان خون جمع آوری شده در هر مرکز خونگیری دائمی یا موقت.

5. میزان انتقال خون از هر مرکز جمع آوری خون موقت و دائمی به هر مرکز خون منطقه ای با هر وسیله حمل و نقل در هر دوره.

6. تعداد مطلوب آمبولانس و هلیکوپتر مورد نیاز در هر مرکز جمع آوری خون برای انتقال خون جمع آوری شده به مراکز خون منطقه ای و همچنین مرکز خون محلی در هر دوره.

7. سطح موجودی خون در هر مرکز خون منطقه ای در هر دوره.

8. میزان انتقال خون از هر مرکز خون منطقه ای به هر مرکز خون محلی در هر دوره.

9. سطح موجودی خون در هر مرکز خون محلی در هر دوره.

10. میزان انتقال خون از هر مرکز خون محلی به هر بیمارستان منطقه ای در هر دوره.

11. مقدار انتقال خون از هر بیمارستان منطقه ای به هر بیمارستان محلی توسط هلیکوپتر در هر دوره.

12. تعداد مطلوب بالگردها که خون را از هر بیمارستان منطقه ای به هر بیمارستان محلی حمل می کنند و افراد مجروح از هر بیمارستان محلی به هر بیمارستان منطقه ای در هر دوره باز می گردانند.

13. تعداد افراد مجروح از هر بیمارستان محلی به هر بیمارستان منطقه ای در هر دوره منتقل می شود.

توابع هدف:

تابع هدف اول، به حداقل رساندن کل هزینه های زنجیره تأمین شامل ایجاد هزینه های تاسیس مراکز، هزینه های جابجایی  مراکز جمع آوری موقت، هزینه های جمع آوری، هزینه حمل و نقل، ذخیره خون در مراکز خون منطقه ای و در مراکز خون محلی، هزینه ثابت حمل و نقل هلیکوپترها  و هزینه های حمل و نقل خون از مراکز خون محلی به بیمارستانهای منطقه ای، هزینه حمل و نقل بین بیمارستانهای منطقه ای و محلی و انتقال خون از مرکز خون منطقه ای به مراکز خون محلی است.

تابع هدف دوم کل زمان حمل و نقل در زنجیره تامین را هدف قرار می دهد.

در نهایت تابع هدف سوم به حداقل رساندن حداکثر تقاضای برآورده نشده است.

 محدودیت ها:

مقدار حداکثر تقاضای براورده نشده با محدودیت های (4) و (5) محاسبه می شود.

محدودیت (6) تضمین می کند که در هر مکان بالقوه فقط یک نوع از مراکز جمع آوری خون (ثابت یا دائمی) می تواند قرار گیرد.

محدودیت (7) مسیرهای بهینه برای مراکز جمع آوری موقت را تعیین می کند.

محدودیت (8) شرط تخصیص گروه اهداکنندگان به تاسیسات جمع آوری خون را نشان می دهد.

محدودیت (9) شعاع پوشش را نشان می دهد و محدودیت (10) تضمین می کند که تنها اهداکنندگان تخصیص یافته می توانند در مراکز جمع آوری خون اهدا کنند.

محدودیت (11) نشان دهنده حداکثر میزان خون رسانی گروه های اهدا کننده است. به علاوه، محدودیت (12) نشان می دهد که ظرفیت مراکز جمع آوری خون محدود است.

حداکثر تعداد وسایل حمل و نقل موجود در مراکز جمع آوری و تعداد وسایل حمل و نقل مورد نیاز برای انتقال خون از مراکز جمع آوری خون به مراکز خون منطقه ای به ترتیب با محدودیت (13) و محدودیت (14) تعیین می شود.

محدودیت (15) محدودیت ظرفیت مراکز خون منطقه ای را توصیف می کند. محدودیت (16) تضمین می کند همه خون اهداشده در هر دوره به هر مرکز جمع آوری به مراکز خون منطقه ای منتقل گردد

محدودیت ها (17) - (18) به ترتیب سطح موجودی را در مراکز خون منطقه ای و محلی ارزیابی می کنند. محدودیت (19) محدودیت ظرفیت مراکز خونی محلی را ارائه می دهد.

محدودیت (20) و (21) به ترتیب تعداد وسایل حمل و نقل مورد نیاز در هر مرکز خون منطقه ای و محلی را تعیین می کند.

محدودیتهای (22) و (23) نشان می دهد که تقاضا برای بیمارستانهای منطقه ای و محلی باید برآورده شود.

محدودیت ها (24) - (31) تعداد پروازها بین بیمارستان های منطقه ای و محلی در هر دوره را تعیین می کند.

محدودیت (32) تضمین می کند که کل پروازهای مورد نیاز بین بیمارستان های منطقه ای و محلی با استفاده از تعداد محدودی هلیکوپتر در بیمارستان های منطقه انجام می شود.

محدودیت (33) نشان می دهد که تعداد مصدومان بیش از ظرفیت بیمارستانهای محلی باید به بیمارستانهای منطقه منتقل شوند.

محدودیت (34) تضمین می کند که تعداد وسایل حمل و نقل در مراکز خون محلی محدود است.

محدودیت ها (35) - (37) ماهیت متغیرهای تصمیم و مقادیر احتمالی آنها را نشان می دهد.

نتیجه گیری:

این تحقیق یک زنجیره تأمین خون شش سطحی شامل گروه های اهدا کننده، مراکز جمع آوری خون (دائمی و موقت)، مراکز خون منطقه ای، مراکز خون محلی، بیمارستان های منطقه ای و بیمارستان های محلی است. علاوه بر این، برای اولین بار در نظر گرفته شد که هلیکوپترها می توانند خون را از بیمارستانهای منطقه به بیمارستانهای محلی منتقل کرده و افراد مجروح را که در بیمارستانهای محلی درمان نمی شوند به بیمارستانهای منطقه بازگردانند. علاوه بر این، از وسایل حمل و نقل مختلف با ظرفیت محدود برای انتقال خون جمع آوری شده به بیمارستان های منطقه زلزله استفاده می شود. علاوه بر این، تعداد وسایل حمل و نقل موجود در هر مرکز محدود در نظر گرفته شده است. با حل مدل، تعداد بهینه تجهیزات حمل و نقل مورد نیاز تعیین می گردد. به منظور اتخاذ یک موقعیت اضطراری مانند زلزله، سه عملکرد هدف به کار گرفته شده است که شامل به حداقل رساندن: زمان و هزینه کل حمل و نقل و تقاضای برآورده نشده است. این مدل بر روی یک مطالعه موردی در جهان واقعی از آخرین زمین لرزه در مرز ایران و عراق که کشنده ترین زلزله سال 2017 نام گرفته است، پیاده سازی شده است.  بر اساس نتایج به دست آمده ، مشخص می شود که بیمارستان شهدا نقش برجسته ای در برآوردن تقاضای بیمارستان های محلی ایفا می کند. بنابراین در دسترس بودن، مقاومت و ایمنی آن بسیار مهم است. با توجه به نتایج مطالعه موردی، بینش های مهم مدیریتی به شرح زیر بدست آمده است:

الف) ایجاد مراکز دائمی جمع آوری خون در مناطق 2، 3، 5، 6، 7، 9، 10، 11و 12 شهر تهران به دلیل پوشش زیاد گروه های اهداکننده و هزینه های کم حمل و نقل و زمان تحویل از اهمیت اساسی برخوردار است.

ب) تأمین منابع، فناوری های آزمایش خون و تجهیزات ذخیره خون مرکز خون شمالی انتقال خون در تهران به دلیل نقش برجسته آن در زنجیره تامین خون از اهمیت بالایی برخوردار است.

ج) بیمارستان شهدا در برآوردن تقاضای بیمارستانهای محلی نقش برجسته ایفا می کند. بنابراین، اطمینان از تجهیزات و منابع کافی می تواند کارایی زنجیره تامین را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد.

د) ظرفیت بیمارستانهای محلی محدود است و در نتیجه هزینه حمل و نقل زنجیره تامین را افزایش می دهد. بنابراین، ارائه تجهیزات و منابع به بیمارستان های محلی ضروری است. علاوه بر این، ظرفیت بیمارستان های محلی باید افزایش یابد.

ه) مرکز خون IBTO در شهر کرمانشاه تنها مرکز مسئول برای برآوردن تقاضای بیمارستان ها است. بنابراین، مقاومت و در دسترس بودن آن مهم است.

و) در صورت بروز شرایط اضطراری یا زلزله مخرب دیگر، میزان تقاضا ممکن است به میزان قابل توجهی افزایش یابد. از آنجایی که مرکز خون مرکزی IBTO در شهر کرمانشاه تنها مرکز خون در شهر است، تهیه فضای ذخیره کافی با تجهیزات مورد نیاز ضروری است.