Ortuño Sanchez, Maria TeresaPaias, Ana Maria Duarte Silva AlvesPereira, Teresa Maria Rodrigues Trigo2025-05-052025-05-0520252024http://hdl.handle.net/10400.5/100412Tese de Mestrado, Estatística e Investigação Operacional, 2025, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasOs desastres naturais, nos quais se incluem terramotos, incêndios, inundações, entre outros, acontecem desde sempre. No entanto, nos últimos tempos, tem se vindo a observar um aumento dos mesmos, justificado direta e indiretamente pela ação humana que se reflete nas alterações climáticas, uma das maiores causas para este aumento. Os desastres naturais podem ter impacto a diversos níveis, desde a destruição de propriedades e bens materiais até danos significativos nos ecossistemas. Contudo, a pior consequência é, sem dúvida, a perda de vidas humanas. O impacto dos desastres depende da dimensão dos mesmos, também da sua localização e da preparação e prevenção das entidades responsáveis para o mesmo. No que diz respeito ao impacto direto na vida humana, desastres de pequena dimensão, como por exemplo terramotos de baixa magnitude ou incêndios rurais pequenos, têm um impacto que raramente resulta na morte de pessoas. No entanto, desastres de grande dimensão, onde isso já não acontece, são um cenário bastante comum - em média acontecem 350 a 400 desastres naturais com grande impacto no mundo, por ano. Este tipo de desastres tem consequências devastadoras e muitas vezes irreversíveis, principalmente quando acontecem de forma imprevisível, por terem uma dimensão superior à que se esperava, por exemplo, ou quando acontecem em áreas que não estão nem estruturalmente nem economicamente preparadas para responder ao desastre e para minimizar ou anular o seu impacto. Contudo, a prevenção e preparação para os mesmos, quer no momento pré desastre, quer no momento pós desastre, são fundamentais para minimizar o impacto das catástrofes naturais. Por ser possível mitigar os danos de uma catástrofe, quer antes quer depois da ocorrência de um desastre através de planeamentos adequados, surge o Ciclo de Gestão de Desastres que é constituído por 4 fases que procedem na seguinte ordem: Mitigação, Preparação, Resposta e Recuperação - tal como os nomes indicam, as duas primeiras fases acontecem no pré desastre e as restantes duas no pós. A fase de Mitigação consiste em reduzir o impacto de forma preventiva através de medidas de prevenção como por exemplo a limpeza florestal de terrenos que rodeiem casas para evitar que, em caso de incêndio, o fogo chegue às casas. A fase de Preparação, por sua vez, consiste em preparar a população relativamente a como atuar para a eventualidade de uma catástrofe. Passadas estas duas fases e após a ocorrência da catástrofe, surge a fase de Resposta onde o foco é minimizar o impacto imediato e a curto prazo e consiste em salvar vidas e minimizar as perdas materiais. Por fim, a fase de Recuperação, que ocorre já quando o desastre terminou, e que consiste nas medidas a longo prazo para responder à situação, como por exemplo distribuir as pessoas que ficaram sem casas por casas-abrigo, restaurar e reconstruir as áreas afetadas, entre outras. Minimizar o número de mortes e de pessoas feridas é um objetivo consensual para a população no geral e para as entidades responsáveis pela resposta aos desastres naturais. Minimizar estes números é solução direta da resolução de um problema de Evacuação – situações em que as pessoas precisam de ser retiradas de determinados sítios por incapacidades e/ou impossibilidades motoras, psicológicas ou físicas. Quando um problema de evacuação ocorre perante um cenário de desastre natural, trata-se de um problema de logística humanitária. Este tipo de problemas envolve várias questões logísticas semelhantes às questões intrínsecas aos problemas de logística comum (logística em armazéns ou distribuições de transportadoras, por exemplo) mas num contexto humanitário, quer a nível de logística de transportes quer a nível de logística de distribuição: identificar como se vão transportar as pessoas para fora das zonas afetadas, considerando que nem todos os meios de transporte estão disponíveis e que, possivelmente, alguns acessos também foram destruídos. Tudo isto tendo em conta ainda as limitações de recursos, por exemplo o número de pessoas por veículo ser limitado e o número de veículos e destinos poder também ser. Para responder a estes problemas e solucionar os problemas de Evacuação, Investigação Operacional oferece as ferramentas necessárias: algoritmos exatos e métodos heurísticos, ferramentas estas que permitem identificar todas as respostas às questões mencionadas anteriormente considerando os vários objetivos e restrições que se podem equacionar: para além de minimizar o número de mortes e pessoas feridas, pode querer considerar-se, simultaneamente ou não, a minimização do tempo de evacuação, do número de veículos utilizados ou dos custos associados, entre outros. Devido ao carácter urgente inerente a estas situações e à utilidade que as ferramentas matemáticas mencionadas têm, é essencial utilizá-las na gestão de desastres, quer nas fases pré desastre, quer nas pós. Estes métodos, para além de contribuirem largamente para os objetivos mencionados, permitem que, mesmo as áreas que em teoria não estão tão preparadas devido a questões estruturais ou económicas, possam seguir e recorrer a uma planificação que as ajudará a melhorar as suas condições de infra-estruturas e até a ter menos custos com todas as operações. O estudo, com recurso às ferramentas indicadas, não permite usar os dados reais de um desastre no momento em que ele acontece e adaptá-lo, porém, permite que com base em acontecimentos passados se desenvolvam os melhores modelos possíveis e mais adaptáveis com as melhores soluções possíveis para responder a um desastre no momento em que acontece e utilizando os seus próprios dados em tempo real. Permite também entender qual a melhor planificação e quais as medidas de prevenção relacionadas com a logística para as fases pré desastre. Impulsionada pelo que foi dito anteriormente, esta dissertação pretende, em primeiro lugar, desenvolver e apresentar modelos matemáticos distintos e gerais e ainda uma meta-heurística que possam solucionar problemas de evacuação. Em segundo lugar, e sobre o qual recai maior atenção, nesta dissertação, os modelos e a meta-heurística desenvolvidos são aplicados a um caso de estudo, as inundações que ocorreram no início de 2024 no Equador. Os seus resultados são ainda comparados e avaliados tendo em conta vários parâmetros e considerando diferentes objetivos. Muitos estudos apresentam um modelo e/ou uma abordagem heurística para os problemas de evacuação. Porém, esta dissertação, para além de apresentar vários modelos exatos e uma abordagem heurística, almeja ainda incidir sobre a comparação entre resultados e consequente identificação de vantagens e desvantagens de cada modelo e da meta-heurística considerando distintos objetivos. A dissertação é então dividida em seis capítulos, sendo o primeiro o capítulo da Introdução, Introduction. O segundo capítulo, Literature Review and Conceptual Framework, introduz o tema e a área em estudo, os conceitos mais importantes e apresenta alguns dos estudos já realizados nos vários campos desta área. Neste capítulo, é ainda apresentado um pequeno modelo não linear (modelo 1) que considera a existência de um parâmetro que não é recorrente mas que, caso ocorra, tem grande importância - a existência ou não de trânsito e a sua evolução em função do tempo. O estudo deste parâmetro não foi aprofundado por estar fora do âmbito da dissertação, porém, devido à importância já realçada, um pequeno estudo e aplicação foram efetuados. O terceiro capítulo, Problem Description and Case Study, apresenta o problema de evacuação específico que se vai estudar nesta dissertação e ao o qual os modelos e a meta-heurística pretendem responder e apresenta ainda o caso de estudo ao qual se vão aplicar, incluindo todos os seus dados e informações úteis e necessárias para depois os modelos e a meta-heurística serem aplicados. O quarto capítulo, Exact Models for an Evacuation Problem, e o quinto, Meta-heuristic developed for an Evacuation Problem, apresentam os modelos exatos e a meta-heurística desenvolvidos, respetivamente. No capítulo dos modelos são apresentados quatro modelos (modelos 2 a 5) pertencentes a duas famílias de modelos distintos, modelos para responder a problemas de rotas (modelos 2, 3 e 4) e modelos de fluxo (modelo 5). Os primeiros três modelos representam, pela ordem apresentada, a evolução do desenvolvimento do modelo de rotas até chegar à versão final (modelo 4) e respetivas adaptações. O modelo 5 é o modelo de fluxos. Depois da apresentação dos modelos para o problema introduzido, é adicionada uma variante ao problema - a existência de prioridades no que diz respeito aos pontos de recolha de pessoas, e dois novos modelos são apresentados, modelos 6 e 7, que representam, respetivamente, adaptações dos modelos 4 e 5 à nova variante do problema. Os resultados de todos os modelos, considerando objetivos como minimizar a distância total, o custo associado ou combinações dos objetivos são também discutidos e explicados neste capítulo. No capítulo 5, apresenta-se a meta-heurística desenvolvida que é constituída por 4 fases e cada uma delas é detalhadamente explicada. Diversas experiências computacionais são ainda conduzidas de forma a calibrar os parâmetros usados com os valores que obtêm melhores resultados. E por fim, os resultados obtidos após aplicar a meta-heurística são também apresentados e discutidos. As discussões dos modelos e da heurística abrange a avaliação de parâmetros como o tempo de processamento, a qualidade da solução, entre outros. O último capítulo, Conclusions and Future Work, começa por apresentar uma comparação entre os melhores resultados obtidos com os modelos 4 e 5 e com a meta-heurística e, consequentes conclusões retiradas da comparação, com o objetivo de entender que abordagem resulta melhor com os diferentes objetivos. Em seguida, são apresentadas conclusões relativas ao trabalho desenvolvido no geral e à eficiência e qualidade dos modelos e da meta-heurística no que diz respeito à resolução do problema de evacuação em estudo. Por fim, e na continuação das conclusões retiradas, apresentam-se os pontos que foram identificados como pontos a melhorar e/ou raciocínios e abordagens que se poderiam seguir caso fosse dada continuidade a este trabalho. Todos os mapas que representam as soluções obtidas, tabelas de grande dimensão e resultados de algumas experiências são apresentados na secção de Apêndices.Natural disasters have been happening since the beginning of the days. However, their intensity and regularity has been increasing due to mostly human-caused factors. Their impact can be quite destructive at distinct levels, from physical destruction and economic loss to the worst consequence of all, the loss of human life. That said, minimizing or even eliminating this impact is extremely important and can be achieved through logistical planning, such as developing and optimizing response or preventive plans. In situations where the goal is to reduce or eliminate the loss of human life, and so people need to be removed from those scenarios of catastrophe, the problem becomes an evacuation problem. An evacuation problem is a logistical problem covered by the area of Humanitarian Logistics and consists on the evacuation of people from situations where they are trapped due to psychological, physical or motor reasons. Evacuation problems can be covered by evacuation plans that can address distinct objectives, either independently or simultaneously, such as minimizing evacuation costs, evacuation time, among others, besides the main objective of evacuating everyone. This kind of problem implies logistical issues regarding transportation and distribution of resources. To address this problem, there are mathematical tools that can be used, exact models and heuristic methods, whose purpose is to find the best solution that fits the objectives considered. The focus of this dissertation was initially to develop models and a meta-heuristic to address an Evacuation Problem in the context of a natural disaster, considering distinct objectives and restrictions. Subsequently, those models and meta-heuristic were applied to a case study and conclusions were drawn through the comparison of its results according to distinct parameters. The case study considered were the floods that happened in Ecuador in the beginning of 2024.engProblemas de evacuaçãoLogística humanitáriaInundações Equador 2024Modelos exatosMeta-heurísticasTeses de mestrado - 2025master thesis