Integration von Entscheidungshilfemodellen für den Campusbetrieb an den National Institutes of Health (NIH)

Die Herausforderung

von Antonio R. Rodriguez und Joseph J. Wolski (National Institutes of Health (NIH))

Vorgestellt auf der Wintersimulationskonferenz 2017

Bei den National Institutes of Health (NIH), einer Bundesbehörde zur Förderung der biomedizinischen Grundlagenforschung, stehen die Entscheidungsträger vor der Herausforderung, Wege zur Verbesserung der Effizienz und Effektivität von forschungsunterstützenden Dienstleistungen zu finden und mit weniger Ressourcen mehr zu erreichen. Das Office of Research Services (ORS), Office of Quality Management (OQM), bietet Unterstützung bei der Lösung dieser Herausforderungen durch die Entwicklung des Simulationsmodells Campus Operations Decision Support (CODS). Das Modell besteht aus einer Vielzahl von Softwarewerkzeugen und -techniken zur Modellierung einer virtuellen 3D-Welt" auf dem Campus, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden kann, um die Bereitstellung von Dienstleistungen zur Unterstützung des Forschungsauftrags der NIH besser zu verstehen und zu verbessern. Das Projekt umfasst Teilmodelle, die bei der Analyse von Fußgänger- und Verkehrsbewegungen auf dem Campus und innerhalb des Campus, bei der Kontrolle der Besucher und des NIH-Shuttlebusnetzes helfen und eine zukünftige Erweiterbarkeit für zusätzliche forschungsunterstützende Aktivitäten vorsehen.

1 Einleitung

Das NIH Office of Research Services (ORS) und das Office of Research Facilities (ORF) haben die Aufgabe, den Forschungsauftrag der NIH reaktionsschnell und zuverlässig zu unterstützen. ORS und ORF unterstützen die NIH in vielfältiger Weise, die für den effizienten und sicheren Betrieb der größten biomedizinischen Forschungseinrichtung der Welt erforderlich ist. Die unzähligen Dienstleistungen, die ORS und ORF erbringen, haben einen erheblichen Einfluss auf die Fähigkeit aller NIH-Institute und -Zentren (ICs), ihre Forschungsaufgaben zu erfüllen.

Heute stehen sowohl ORS als auch ORF vor der Herausforderung, mit weniger Ressourcen mehr für die NIH-Gemeinschaft zu leisten. In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach den Dienstleistungen und der Infrastruktur, die ORS und ORF bereitstellen und unterhalten, relativ unverändert geblieben und in einigen Fällen sogar gestiegen; die Höhe der Mittel ist jedoch relativ konstant geblieben bzw. berücksichtigt die bescheidene Inflation. Es besteht ein zunehmender Druck, das gleiche Maß an Quantität und Qualität der Dienstleistungen zu erbringen. Die ORS und der ORF müssen daher ständig nach Möglichkeiten suchen, um die Effizienz und Effektivität ihrer Dienstleistungen für die NIH-Gemeinschaft jetzt und in Zukunft zu verbessern.

Um diese Verbesserungen zu unterstützen, hat das ORS Office of Quality Management ein Campus Operations Decision Support Model unter Verwendung von Simulationstechnologie entworfen und implementiert. Zunächst besteht dieses Projekt aus einem 3D-Modell des NIH-Campus in Bethesda, einschließlich des Straßennetzes und der Gebäude, der Parkplätze, des NIH-Shuttlebusnetzes, der Fußgänger- und Verkehrsbewegungen auf dem Campus sowie der Ein- und Ausfahrt von Fußgängern und Fahrzeugen auf den Campus über Smartcard-Zugänge und Besucherkontrollen. Mit Hilfe dieses Modells sollen Änderungen der Dienstleistungen erprobt werden, um die Kapazität besser an die Nachfrage anzupassen und so zu einem kosteneffizienten Einsatz der begrenzten Haushaltsmittel beizutragen.

Die Lösung

2 Entwurf der Simulation

Das System besteht aus einer realistischen virtuellen 3D-Welt auf dem NIH-Campus in Bethesda, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden kann, um die Planung und Bereitstellung von Dienstleistungen besser zu verstehen und zu verbessern. Aus visueller Sicht ist das Modell so konzipiert, dass es über einen Computerbildschirm oder eine VR-Hardware betrachtet und mit ihm interagiert werden kann. Darüber hinaus können durch Experimente/Szenarien quantitative Ergebnisse erzielt werden.

Das Modell bietet auch die Möglichkeit, ein Notfallszenario oder einen bestimmten Campus-Betriebsprozess im Detail zu üben. Als Notfallszenarien werden zunächst eine Gebäude-/Campusevakuierung und ein aktives Schießszenario betrachtet. Das System ist so konzipiert, dass der Benutzer nachvollziehen kann, wie sich ein solches Szenario in einem bestimmten Gebäude auf dem Campus abspielen könnte und wie sich das Szenario auf die Abläufe auf dem gesamten Campus auswirkt und mit ihnen interagiert.

Die ersten Systeme für den Campusbetrieb sind der Zugang für Mitarbeiter und Besucher sowie das Shuttlebussystem. Das System ist so konzipiert, dass es die Inputs und Outputs dieser Prozesse und die Interaktion mit dem gesamten Campus genau abbildet und in der Lage ist, eine Person durch das gesamte System zu verfolgen (z. B. ein Besucher fährt auf den Campus, durchläuft die Sicherheitskontrolle, parkt, geht zu einem Gebäude, nimmt an einer Evakuierungsübung teil, kehrt zum Gebäude zurück, kehrt zum Fahrzeug zurück und verlässt den Campus).

Dieses Modell wird verwendet, um mit Änderungen bei den Diensten zu experimentieren, um die Kapazität besser an die Nachfrage anzupassen und so zu einer kosteneffizienten Nutzung begrenzter Haushaltsmittel beizutragen und für aufkommende Szenarien zu planen, wie z. B. eine Sperrung der Straßen auf dem Campus, eine Evakuierung von Gebäuden, eines Teils oder des gesamten Campus oder ein Szenario mit einem aktiven Schützen.

3 Modellierungsansatz

Ein Basismodell wird auf einer hohen Ebene entwickelt, so dass bestimmte Prozesse oder Abläufe auf einer granularen Ebene dargestellt werden können und bei Bedarf weitere Detailstufen hinzugefügt werden können, sowohl aus visueller als auch aus analytischer Sicht. Die detaillierteren Modelle helfen bei der Entwicklung von Verarbeitungszeitparametern, die im Hauptmodell verwendet werden. Auf diese Weise können bei Bedarf detaillierte Modelle entwickelt und erstellt werden.

Dieses Basismodell besteht aus einem realistischen 3D-Modell des Straßen- und Fußgängerverkehrsnetzes auf dem Campus sowie der Gebäude mit den dargestellten Gebäudeeingängen und -ausgängen. Dieses Basismodell umfasst mehrere Teilsysteme des Campus, die zuvor als unabhängige Modelle entwickelt wurden und nun in ein einziges Modell integriert sind. Zu diesen Systemen gehören der Campus-Zugang, ein Shuttle-Bus-System, der Campus-Verkehr (sowohl bei normalem Verkehrsfluss als auch bei einer Evakuierung) und Szenarien mit aktiven Schützen.

Im Basismodell wird zum Beispiel ein Gebäude als "Black Box" mit definierten Ein- und Ausgängen dargestellt. Auf diese Weise verfügt ein Gebäude über eine bestimmte Anzahl von Stellen, an denen die Bewohner das Gebäude betreten und verlassen können. Detailliertere Prozesse innerhalb des Gebäudes können in einem separaten Teilmodell entwickelt werden, das unabhängig ausgeführt werden oder eine Schnittstelle zum größeren Modell bilden kann (z. B. eine Gebäudeevakuierung oder ein aktives Schießszenario). Das aktuelle Modell wurde mit der Simulationssoftware Simio in Zusammenarbeit mit dem Simio-Partner Mosimtec, LLC, entwickelt. Die 3D-Modellierung wurde mit Trimble Sketchup und Daten von ORF und Open Street Maps durchgeführt. Frühere Ansätze zur Modellierung dieser Teilsysteme wurden in Arena entwickelt.

Die geschäftlichen Auswirkungen

4 Schlussfolgerungen und nächste Schritte

Dieses Simulationswerkzeug hat zu erheblichen Kosteneinsparungen in den NIH beigetragen und die Notfallplanung verbessert, die sich auf das Leben und Wohlergehen der NIH auswirkt. Die durchgeführten Projekte haben es ermöglicht, die Forschung ohne Unterbrechung fortzusetzen und fundierte Entscheidungen zu treffen, die sich auf die Sicherheit der NIH und der umliegenden Gemeinden auswirken.

Die Entwicklung und Analyse der von der Simulation bereitgestellten Output-Metriken ermöglichte es den Entscheidungsträgern, die Auswirkungen von Systemänderungen auf die Leistungserbringung besser zu verstehen und Risiken, die durch Experimente mit der breiten Palette von Szenarien, die die Simulation bereitstellen kann, ermittelt wurden, besser zu erkennen, zu verstehen und abzumildern.

Durch die Verwendung dieses skalierbaren und modularen Ansatzes besteht ein erhebliches Potenzial für die Integration anderer Campus- und Forschungssysteme in dieses Modell und ermöglicht den Entscheidungsträgern ein besseres Verständnis dafür, wie Systeme miteinander interagieren und sich auf umfassendere Ziele auswirken. Obwohl diese Modelle speziell für die NIH entwickelt wurden, können andere Behörden und Organisationen diese Ansätze nutzen, um ähnliche Herausforderungen zu lösen.

DANKSAGUNGEN

Das OQM-Team möchte sich bei der Leitung der NIH und des ORS/ORF sowie bei den zahlreichen Mitarbeitern bedanken, die dieses Projekt unterstützt haben.