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Resoconto del sesto e ultimo incontro del ciclo di seminari “ROAR IN AZIONE!”, su come le tecniche della ricerca operativa possano essere sfruttate per gestire al meglio l’organizzazione della distribuzione del cibo in una regione e combattere la fame nel mondo.

Con questo appuntamento, sono terminati gli incontri di “ROAR IN AZIONE!”, dedicati a presentare applicazioni della ricerca operativa e della matematica in generale, per affrontare e risolvere problemi di ottimizzazione emergenti in varie situazioni reali.

L’oratrice

A condurre l’ultimo seminario di “ROAR IN AZIONE!”, svoltosi venerdì 8 aprile, è stata Anna Melchiori, Supply Chain Optimization Consultant presso la sede del World Food Programme a Roma.

Anna MelchioriAnna Melchiori.

Anna Melchiori frequenta un istituto tecnico commerciale per il turismo, dove approfondisce, più che la matematica, l’economia aziendale e la geografia sociale. Al momento di iscriversi all’università, nonostante un interesse verso i corsi di cooperazione allo sviluppo, si iscrive alla facoltà di Matematica presso l’Università di Padova, dove consegue sia la laurea triennale sia la laurea magistrale, riuscendo anche a trascorrere periodi di studio all’estero a Istanbul e Berlino. Durante quegli anni, inoltre, incontra per la prima volta la ricerca operativa, che le offre la possibilità di fare collegamenti con il mondo reale. In seguito, lavora presso il CNR allo Sportello Matematico come traduttrice tecnologica e, allo stesso tempo, ottiene un dottorato in ricerca operativa presso la Sapienza Università di Roma. Quando, nel 2019, si apre una posizione al World Food Programme, coglie al volo l’occasione per poter lavorare in ambito umanitario applicando le sue competenze scientifiche e analitiche. 

 

Il World Food Programme

 

Logo del World Food ProgrammeLogo del World Food Programme.

Il World Food Programme (WFP), noto anche come Programma Alimentare Mondiale, è un’agenzia delle Nazioni Unite, di cui condivide i principi e gli obiettivi fondamentali, riguardanti per esempio il mantenimento della pace e della sicurezza mondiale, il rispetto e la protezione dei diritti umani, la cooperazione umanitaria internazionale, e la promozione dello sviluppo sostenibile.

Il World Food Programme è la principale organizzazione umanitaria al mondo che lavora nell’ambito della sicurezza alimentare, intervenendo quando la popolazione di un Paese non ha accesso al cibo o vi sono incertezze economiche, politiche, ambientali che possono o potrebbero impattarne l’alimentazione con effetti nel breve, medio o lungo periodo. 

La necessità di supporto alimentare può per esempio derivare dallo scoppio di conflitti armati (come quello iniziato a febbraio 2022 in Ucraina, o quello nello Yemen attivo dal 2015) o da improvvisi disastri naturali (quali terremoti, alluvioni o siccità), ma anche da emergenze sanitarie (come quella della COVID-19), o dalla protratta instabilità economica di un Paese (come gravi inflazioni e incapacità di un governo di sostenere la propria popolazione tramite meccanismi di protezione sociale).

In tutti questi contesti in quale modo agisce il World Food Programme?

Principalmente comprando, trasportando e distribuendo alimenti ogni giorno a più di ottanta Paesi del mondo. Ma non solo: distribuendo anche denaro alle popolazioni di quei paesi con un buon livello di “salute” dei propri mercati alimentari interni, collaborando con governi locali e/o con altre organizzazioni umanitarie per assicurare pasti freschi ogni giorno nelle scuole, supportando ed incoraggiando l’acquisto da piccoli agricoltori locali. Tutto ciò è reso possibile da uno staff di circa 20.000 persone dislocato in tutto il mondo.

Perché è necessaria una tale organizzazione?

Il World Food Programme nel 2020 ha vinto il Nobel per la Pace per “i suoi sforzi nel combattere la fame, per il suo contributo nel migliorare le condizioni per la pace nelle aree colpite da conflitti e per la sua azione nel guidare gli sforzi per prevenire l’uso della fame come arma di guerra e conflitto”.

Tale premio dimostra quindi come il quotidiano lavoro del World Food Programme, interamente supportato da donazioni spontanee di privati, governi, e altre organizzazioni, sia estremamente necessario per ridurre i livelli di insicurezza alimentare mondo, e per diminuire la probabilità che la fame possa essere sfruttata come strumento o tattica in situazioni di instabilità militare. Un’organizzazione del genere svolge inoltre un importante compito di monitoraggio e divulgazione sui livelli di insicurezza alimentare e malnutrizione globale, come mostrato nella mappa qui sotto.

Hunger Map 2021World Food Programme Hunger Map 2021 – Mappa della fame cronica che illustra i livelli di denutrizione di ogni Paese nel triennio 2018-2020 (blu e azzurro: situazione normale; verde: popolazione sotto stress; arancione, rosso e rosso scuro: crisi). La stima di persone che soffriranno la fame entro il 2030 era di 811 milioni, ma questo dato sarà da aggiornare considerando anche il conflitto in Ucraina.

Il team di Supply Chain Planning and Optimization

Per il World Food Programme la catena di approvvigionamento, trasporto e distribuzione (la cosiddetta “supply chain”) del cibo è molto diversa rispetto a quella di una normale azienda.

Infatti, le movimentazioni sono costrette ad avvenire molto spesso con tempistiche rapide ed improvvise, e in contesti ambientali, strutturali e di sicurezza molto precari. Per esempio, utilizzando barche lungo i fiumi o aerei durante la stagione delle piogge, in quanto il trasporto su strada è inutilizzabile; l’attraversamento di aree in attivo conflitto armato, l’assenza di connessione internet per la condivisione e monitoraggio di dati su stoccaggio o trasporto merci. Inoltre, in alcuni casi, invece di distribuire cibo direttamente alle persone, potrebbe essere più adatto dare dei voucher o denaro contante per lasciare più autonomia alle persone e avere un impatto positivo sull’economia interna; il tutto richiedendo quindi un tipo di intervento e di organizzazione molto diversa. 

Le decisioni che il World Food Programme deve prendere giornalmente sono quindi veramente molto numerose e vaste: da cosa distribuire (cibo – e, in tal caso, quale e quanto – oppure denaro), in quale parte del globo comprarlo, come trasportarlo (via terra, mare, aereo), in quale zona e quando.

Per poter valutare e confrontare le diverse alternative e scegliere le migliori da attuare, c’è bisogno di un approccio scientifico e analitico, in modo da supportare le decisioni basandosi sull’evidenza portata dai dati.

Anna Melchiori lavora nel team di Supply Chain Planning and Optimization, di cui fanno parte una ventina di persone di tredici nazionalità diverse, di età sotto i 45 anni, e con vari background in ambito tecnico-scientifico, da ingegneria a economia, da ricerca operativa a data science.

Cosa porta il Team di Supply Chain Planning and Optimization all’interno del World Food Programme? Un approccio analitico-scientifico volto a monitorare, pianificare e ottimizzare l’assistenza offerta dal WFP, mantenendo una copertura totale di tutte le fasi della supply chain. Molto spesso ciò si concretizza nello sviluppo di software e tool utilizzati dallo staff del WFP in tutti i suoi uffici sparsi nel mondo. Tra questi c’è OPTIMUS, un software che aiuta a migliorare l’operazione che il WFP svolge in un certo Paese, andando a valutare in modo efficace e veloce centinaia di soluzioni alternative e individuarne quella l’ottima. Il tutto reso possibile da un modello algoritmo di ricerca operativa! 

 

OPTIMUS e la modellizzazione della catena alimentare

Da quando è entrata a far parte del World Food Programme, Anna Melchiori si è principalmente focalizzata sullo sviluppo di questo software, OPTIMUS,  utilizzando le competenze matematiche e di programmazione che ha appreso durante gli anni universitari e di ricerca.

Le fasi principali della catena alimentare

World Food Programme – Catena AlimentareSchematizzazione della catena alimentare.

Il problema che OPTIMUS cerca di risolvere è quello di ridisegnare una qualsiasi fase della catena alimentare di un’operazione del WFP. Sono comprese quindi le scelte di:

  1. Food Basket Design, ovvero la composizione del paniere alimentare che viene distribuito alla popolazione, tenendo in considerazione anche le sue preferenze o abitudini, in modo che il cibo possa essere cucinato, consumato, e anche apprezzato. Da notare che ogni alimento determina un apporto nutrizionale (chilocalorie, vitamine, etc.), e il WFP deve assicurarsi che i minimi quantitativi giornalieri richiesti dal corpo umano vengano soddisfatti il più possibile dal paniere distribuito, in particolar modo se la popolazione ha come unica entrata alimentare quella offerta proprio dal WFP;
  2. Transfer Modality Selection, ossia la decisione riguardante il comprare/distribuire cibo alla popolazione, oppure distribuire buoni voucher in caso di un livello di sanità del mercato locale buono;
  3. Sourcing Plan, cioè l’identificazione dei fornitori da cui approvvigionarsi di cibo;
  4. Delivery Networks, ovvero come effettivamente trasportare il cibo dai fornitori (punti di origine) alla popolazione ricevente (punti di destinazione).

Pensare di ottimizzare “a mano” questo problema è molto complicato, dato il numero altissimo di variabili, dettagli operazionali da dover tenere a mente (quali fondi, tempi di percorrenza, preferenze alimentari e investimenti locali). Gli effetti che anche piccole modifiche a una parte dell’operazione hanno su tutte le altre sue fasi. Per esempio, sostituire parte del paniere con un nuovo cibo modifica il suo apporto nutrizionale totale, ma non solo: potrebbe richiedere fornitori e metodi di trasporto completamente diversi e risultare in un costo molto elevato se non valutato a priori!

Ed è proprio qui che arriva in supporto OPTIMUS e la ricerca operativa. Ma andiamo più in dettaglio.

 

Il modello matematico al cuore di OPTIMUS

OPTIMUS è un software online disponibile a tutto il personale del World Food Programme. Il suo sviluppo, partito nel 2013, è stato supportato da diverse università e partner (quali l’Università di Tilburg, il Georgia Tech, UPS e Palantir).

Questo sistema di supporto alle decisioni ha al suo interno incapsulato un modello matematico di programmazione lineare. Sorprendentemente, il modello non è così complesso come si potrebbe ritenere, in quanto consiste nell’unione di due problemi molto conosciuti nell’ambito della ricerca operativa:

  • il problema di flusso su una rete, dove, data una rete di nodi e collegamenti, si vuole mandare una o più merci da una certa origine a una certa destinazione (ne avevamo parlato anche qui), considerando vincoli di capacità e un orizzonte temporale;
  • il problema della dieta, in cui si vuole determinare quante porzioni acquistare degli alimenti a disposizione per soddisfare i minimi valori del fabbisogno quotidiano di carboidrati, proteine, grassi, vitamine, e tutte le altre sostanze nutritive.

Le variabili

Nel modello completo implementato all’interno di OPTIMUS, vi sono sette classi di variabili. Le più importanti sono quelle rappresentanti il flusso, ovvero le quantità di cibo mandate in nella rete e nel tempo, e quelle indicanti il fabbisogno coperto da ogni cibo, misurato in grammi al giorno per persona.

I vincoli

I vincoli possono essere classificati in venti famiglie diverse. Alcuni riguardano la composizione del paniere alimentare (come l’imposizione della presenza di alcuni alimenti all’interno della dieta), altri invece le fonti di approvvigionamento (per esempio, il fatto che in queste settimane è diventato difficile se non impossibile rifornirsi dall’Ucraina, quindi fornitori di tale nazione non dovranno essere considerati).
Altri ancora modellano le strade e i percorsi percorribili, scartando collegamenti che potrebbero essere diventati inagibili per qualsiasi motivo (come durante la stagione delle piogge precedentemente menzionata).

La funzione obiettivo

Lo scopo è generalmente quello di minimizzare i costi totali dell’operazione. Le componenti principali della funzione obiettivo includono il costo delle materie prime, i costi di trasporto, i costi per gestire i magazzini dove stoccare le merci, così come i costi della manodopera, dello staff impiegato nella distribuzione e degli uffici coinvolti.
In alcuni casi, si preferisce massimizzare la copertura nutrizionale data dagli alimenti acquistati.

La soluzione ottima (anzi, LE soluzioni ottime)

Essendo la programmazione lineare un problema appartenente alla classe di complessità P, è facile da risolvere esattamente per un solver. Questo è proprio uno dei punti di forza di OPTIMUS perché consente di ottenere, nel giro di qualche secondo o minuto, non solo una soluzione ottima ma anche un’analisi multiscenario, ovvero tantissime altre soluzioni che sarebbero ottime se si cambiasse di poco qualche parametro noto dato in input.

Per esempio, cosa succederebbe se si sostituisse il riso con del mais? Come cambierebbe il costo dell’intera catena e l’impatto a livello nutrizionale?OPTIMUS permette perciò di valutare diverse alternative allo stesso tempo, come è stato fatto per esempio in Iraq, nel 2016-2017.

World Food Programme – Paniere dell'IraqAnalisi multiscenario effettuata in Iraq nel 2016-2017. Rispetto alla soluzione di partenza (colonna blu), nella soluzione alternativa considerata (colonna verde) il paniere ottimo era composto di meno riso e meno ceci, più bulgur, un nuovo tipo di legumi, e farina di grano fortificata

In quel caso, si voleva modificare il paniere ottimo ottenuto senza diminuire troppo il numero di chilocalorie giornaliero. Sfruttando OPTIMUS, il tool ha restituito varie soluzioni, compresa una che consentiva di togliere solo 3 kcal a persona al giorno, costando però 1,60 dollari al mese a persona in meno. L’implementazione di tale soluzione alternativa ha portato a risparmiare circa 25 milioni di dollari. Tale cifra è stata potuta essere riutilizzata in altre operazioni.

 

L’usabilità di OPTIMUS

L’altro vantaggio principale di OPTIMUS è che il modello matematico è completamente invisibile all’utente finale che sta usando il software. All’operatore che accede al tool, infatti, non è richiesta alcuna conoscenza o base matematica. Tutte le specifiche necessarie a OPTIMUS per modellare i vincoli sono inserite usando il linguaggio naturale. L’operatore per prima cosa seleziona da una mappa il Paese di interesse, su cui vuole fare delle simulazioni o determinare uno o più piani di approvvigionamenti ottimi.

World Food Programme – OPTIMUS, selezionare il PaeseOPTIMUS – Esempio di selezione di un Paese.

I dati da dare in input al modello arrivano in automatico da tantissimi database, aggiornati quotidianamente, e sono consultabili dall’operatore su opportune dashboard, che possono mostrare il posizionamento delle persone che hanno bisogno di supporto umanitario, i punti da utilizzare per acquistare cibo, oppure la rete e i collegamenti che il modello potrà considerare per determinare il trasporto delle merci.

World Food Programme – OPTIMUS, rete SudanOPTIMUS – Esempio dei collegamenti nazionali e internazionali disponibili per il Sudan.

Già scegliendo il Paese, alcune specifiche verranno inserite automaticamente nel modello. Altre condizioni possono essere impostate attraverso delle procedure guidate, che permettono di scegliere il tipo di operazione da fare (per esempio, cambiare il paniere ottimo), quali alimenti e commodity modificare, o l’aggiunta di regole particolari (come l’esclusione di alcuni fornitori).

L’operatore deve poi solamente avviare l’ottimizzazione cliccando un bottone. Se ha impostato l’analisi di scenari, otterrà un insieme di soluzioni alternative che verranno messe a confronto con la soluzione di partenza attraverso grafiche intuitive.

World Food Programme – OPTIMUS: scenariOPTIMUS – Esempio di confronto tra diversi scenari.
Al centro, nell’origine degli assi, c’è un punto associato alla soluzione di partenza. I quattro quadranti sono colorati in base alla maggiore convenienza e all’energia fornita in termini di chilocalorie; nella regione verde si trovano le soluzioni migliori.

 

Alcuni riferimenti

Oltre al Premio Nobel per la Pace, grazie al suo operato e all’utilizzo degli strumenti analitici descritti sopra, il World Food Programme ha vinto anche il Franz Edelman Award nel 2021, uno dei premi internazionali più rinomati nell’ambito della ricerca operativa. Esso riconosce quanto stia facendo il World Food Programme e il team di Supply Chain Planning and Optimization per azzerare la fame.

Maggiori dettagli si possono leggere nell’articolo pubblicato su INFORMS Journal on Applied Mathematics.

La registrazione dell’incontro

Il seminario è stato registrato ed è disponibile qui:

 

 

Per saperne di più sul progetto ROAR

I seminari di “ROAR IN AZIONE” sono stati proposti come attività collaterali del progetto ROAR (Ricerca Operativa Applicazioni Reali) per presentare, ad alto livello, applicazioni concrete della ricerca operativa e illustrare anche esempi di orientamento per la scelta universitaria.

ROAR è un progetto di divulgazione e insegnamento della ricerca operativa rivolto alle scuole secondarie superiori, ideato e organizzato oltre che da me (Università degli Studi di Verona), da Alessandro Gobbi (Università degli Studi di Brescia), da Gabriella Colajanni ed Eugenia Taranto (Università degli Studi di Catania), e da Marinella Picchi (IIS Antonietti, Iseo). Consiste in tre unità didattiche per le rispettive classi del triennio, che approfondiscono la modellizzazione matematica, la programmazione lineare e lineare intera, la teoria dei grafi, e tanto altro anche inerente all’informatica e allo sviluppo di algoritmi.

Per maggiori informazioni, potete contattarci via e-mail all’indirizzo dedicato al progetto oppure scrivermi personalmente qui.

Alice Raffaele

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