Aalto University publication series D OCTORAL DISSERTATIONS 210/ 2016 R esource allocation methods for defence and infrastructure systems Jussi Kangas

Transkriptio

1 D e p a r t m e n t o f M a t h e m a t i c s a n d S y s t e m s A n a l y s i s R esource allocation m ethods for defence and infrastructure systems Jussi Kangaspunta D O C T O R A L D I S S E R T A T I O N S

2 Aalto University publication series D OCTORAL DISSERTATIONS 210/ 2016 R esource allocation methods for defence and infrastructure systems Jussi Kangaspunta A doctoral dissertation completed for the degree of Doctor of S cience (Technology) to be defended, with the permission of the A alto University School of Science, at a public examination held at the lecture hall H304 of the school on 4 November 2016 at 12. Aalto University School of Science Department of Mathematics and Systems Analysis

3 professor Supervising Finland University, Aalto Salo, Ahti Professor advisor Thesis Finland University, Aalto Salo, Ahti Professor examiners Preliminary Ireland Institute, Research Social and Economic The Bertsch, Valentin Professor USA University, American Business, of School Kogod Simon, Jay Professor Opponent USA Wisconsin-Madison, of University Engineering, of College Bier, Vicki Professor series publication University Aalto DISSERTATIONS OCTORAL D / 2016 Kangaspunta Jussi SBN I (printed) SBN I (pdf) SSN-L I SSN I (printed) SSN I (pdf) ttp://urn.fi/urn:isbn: h Oy Unigrafia elsinki H 2016 Finland

4 A alto University, P.O. Box 11000, FI Aalto Abstract Author Jussi Kangaspunta Name of the doctoral dissertation Resource allocation methods for defence and infrastructure systems P ublisher U nit Series F ield School of Science Department of Mathematics and Systems Analysis A alto University publication series D OCTORAL DISSERTATIONS 210/ of research Systems and Operations Research M anuscript P ermission Monograph submitted 14 June 2016 to publish granted (date) 23 August 2016 A rticle dissertation 2016 Date of the defence 4 November 2016 L anguage English Essay dissertation Abstract Organisations initiate research and development projects as well as other investments in order t o build and maintain long-term capabilities that contribute the attainment of their strategic o bjectives. Typically they have limited resources and can therefore select only a subset of a vailable investment alternatives when seeking to maximize the overall value which is defined i n terms of multiple objectives. These decisions can be challenging due to uncertainties about t he future value of investment alternatives, interdependencies between alternatives, and possible conflicting preference statements about the relative importance of the objectives. T his Dissertation develops methods to support the allocation of resources to investment a lternatives by evaluating portfolios (i.e. combinations) of alternatives. These methods help i dentify portfolios which are efficient with regard to multiple levels of resource expenditures s o that statements from multiple information sources (e.g. expert judgments and simulation models) are transparently taken into account. Furthermore, the methods permit analyses with r egard to different scenarios that portray possible states of future and handle incomplete information about the importance of objectives. T he proposed resource allocation methods are illustrated by examining problems from d efence planning and critical infrastructure risk management. Both of these interconnected a pplication areas are under budgetary pressure while national security threats are taking increasingly diverse forms. The examples show that the developed methods and computational a lgorithms can be usefully applied. Moreover, the methods are also generic enough to be used i n other areas as well. For instance, the energy sector needs to provide sufficient supply while ensuring that the energy production system is resilient and able to recover from shocks. Keywords cost-efficiency analysis, critical infrastructure risk management, defence planning, portfolio decision analysis, resource allocations. I SBN (printed) I SBN (pdf) I SSN-L L ocation P ages of publisher H elsinki I SSN (printed) L ocation of printing H elsinki I SSN (pdf) Y ear 2016 u rn h ttp://urn.fi/urn:isbn:

5

6 A alto-yliopisto, PL 11000, Aalto Tiivistelmä Tekijä Jussi Kangaspunta Väitöskirjan nimi Resurssien allokointimenetelmiä puolustus- ja infrastruktuurijärjestelmille J ulkaisija Y ksikkö Sarja Perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos A alto University publication series D OCTORAL DISSERTATIONS 210/ T utkimusala K äsikirjoituksen J ulkaisuluvan Monografia myöntämispäivä Artikkeliväitöskirja 2016 Väitöspäivä Kieli Englanti Esseeväitöskirja Systeemi- ja operaatiotutkimus pvm Tiivistelmä O rganisaatiot panostavat tutkimus- ja kehityshankkeisiin sekä muihin investointeihin l uodakseen ja ylläpitääkseen strategisten tavoitteidensa saavuttamiseksi tarvittavia k yvykkyyksiä. Tyypillisesti niillä on vaihtoehtoisia investointeja varten käytettävissään rajallisesti resursseja, jolloin vain osa vaihtoehdoista voidaan toteuttaa. Resurssien allokoinnin t avoitteena on maksimoida valittujen investointien kokonaisarvoa monen arviointikriteerin v alossa. Tällainen allokointipäätös on haasteellista, koska investoinnit voivat vaikuttaa t oisiinsa ja niiden tulevaan arvoon liittyy usein epävarmuutta. Lisäksi arviointikriteerien välisistä keskinäisistä tärkeyksistä voi vallita erilaisia ja jopa ristiriitaisia näkemyksiä. T ässä väitöskirjassa kehitetään menetelmiä, jotka tukevat resurssien allokointia useiden i nvestointivaihtoehtojen muodostamille kokonaisuuksille eli portfolioille. Kehitettyjen m enetelmien avulla voidaan tunnistaa ne portfoliot, jotka ovat tehokkaita useilla r esurssitasoilla suhteessa useaan eri tietolähteeseen kuten asiantuntija-arviointeihin ja s imulointimalleihin. Lisäksi menetelmien avulla voidaan tuottaa analyyseja erilaisissa v aihtoehtoisia tulevaisuuden tiloja kuvaavissa skenaarioissa. Portfolioiden tehokkuus voi riippua siitä, missä skenaariossa arvioinnit tehdään ja miten tärkeitä arviointikriteerit ovat eri skenaarioissa. K ehitettyjä resurssien allokointimenetelmiä havainnollistetaan tarkastelemalla puolustuksen suunnitteluun ja kriittisen infrastruktuurin riskienhallintaan liittyviä ongelmia. N ämä toisiinsa kytkeytyvät alat ovat resurssien leikkauspaineiden alaisia samaan aikaan kun t urvallisuusuhkat ovat entistä monimuotoisempia. Esimerkkitarkastelut osoittavat, että k ehitettyjä menetelmiä ja laskennallisia algoritmeja voidaan hyödyntää tuloksellisesti näillä aloilla. Lisäksi menetelmät ovat riittävän geneerisiä, jotta niitä voidaan käyttää myös muualla. E simerkiksi energiasektorin on yhtäältä kyettävä takaamaan energian riittävä saatavuus ja toisaalta varmistettava, että tuotantojärjestelmät pystyvät sietämään erilaisia häiriötilanteita ja toipumaan niistä. Avainsanat k ustannustehokkuusanalyysi, kriittisen infrastruktuurin riskienhallinta, puolustuksen suunnittelu, portfoliopäätösanalyysi, resurssien allokointi I SBN (painettu) I SBN (pdf) I SSN-L J ulkaisupaikka S ivumäärä 146 H elsinki I SSN (painettu) P ainopaikka H elsinki I SSN (pdf) Vuosi 2016 u rn h ttp://urn.fi/urn:isbn:

7

8 Publications The Dissertation consists of a summary article and the following papers: [I] Kangaspunta, J., Liesiö, J., Salo, A. (2012). Cost-Efficiency Analysis of Weapon System Portfolios. European Journal of Operational Research, 223(1): [II] Kangaspunta, J., Salo, A. (2014). Expert Judgments in the Cost-Effectiveness Analysis of Resource Allocations: A Case Study in Military Planning. OR Spectrum, 36(1): [III] Kangaspunta, J., Salo, A. (2014). A Resource Allocation Model for Improving the Resilience of Critical Transportation Systems. Manuscript, 30 pages. [IV] Kangaspunta, J., Vilkkumaa, E., Salo, A. (2016). Scenario-Based Resource Allocation Model to Secure the Performance of Networks. Manuscript, 34 pages. Contributions of the Author Kangaspunta is the primary author of Papers [I]-[IV]. [I] Kangaspunta, Salo, and Liesiö proposed the topic. Kangaspunta and Liesiö developed the computational algorithm. Kangaspunta implemented the algorithm and wrote the paper together with Liesiö and Salo. [II] Kangaspunta proposed the topic, developed and implemented the computational algorithms. Kangaspunta wrote the paper under the guidance of Salo. [III] Kangaspunta and Salo developed the topic jointly. Kangaspunta formulated the models under the guidance of Salo. Kangaspunta developed and implemented the computational algorithm. Kangaspunta wrote the paper together with Salo. [IV] Vilkkumaa and Salo proposed the topic. Kangaspunta developed and implemented the computational algorithm. Kangaspunta wrote the paper together with Vilkkumaa and Salo.

9

10 Acknowledgements First I want to thank professor Ahti Salo for his patience and discipline. I want to thank professor Juuso Liesiö and professor Eeva Vilkkumaa for their time and effort. Aalto University, Scientific Advisory Board for Defence, the National Defence University, and the Finnish Navy deserve special thanks for funding and research material. I also want to thank professor Valentin Bertsch and professor Jay Simon for their valuable comments in the pre-examination process. Finally, I want to thank my colleagues, friends, relatives, family, and other teachers of my life during this exhaustive journey. "Mennäänpäs mokoman suon yli, että heilahtaa." Väinö Linna Tuntematon sotilas Helsinki, October 2016 Jussi Kangaspunta

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37 A a l t o - D D / H S T F M G * a h a g j i + I S B N ( p r i n t e d ) I S B N ( p d f ) I S S N - L I S S N ( p r i n t e d ) I S S N ( p d f ) A a l t o U n i v e r s i t y S c h o o l o f S c i e n c e D e p a r t m e n t o f M a t h e m a t i c s a n d S y s t e m s A n a l y s i s w w w. a a l t o. f i B U S I N E S S + E C O N O M Y A R T + DESIGN + A R C H I T E C T U R E S C I E N C E + T E C H N O L O G Y C R O S S O V E R D O C T O R A L D I S S E R T A T I O N S