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第11章 Red Hat ビルドの Quarkus での Red Hat ビルドの OptaPlanner: ワクチン接種予約スケジューラーのクイックスタートガイド

OptaPlanner ワクチン接種予約スケジューラーのクイックスタートを使用して、効率性および公平性の高いワクチン接種スケジュールを開発できます。ワクチン接種予約スケジューラーは、人工知能 (AI) を使用して摂取者の優先順位を決定し、複数の制約や優先順位に基づいて時間枠を割り当てます。

前提条件

  • OpenJDK 11 以降がインストールされている。Red Hat ビルドの Open JDK は Red Hat カスマーポータル (ログインが必要) の ソフトウェアダウンロード ページから入手できます。
  • Apache Maven 3.6 以降がインストールされている。Maven は Apache Maven Project の Web サイトから入手できます。
  • IntelliJ IDEA、VSCode、Eclipse、NetBeans などの IDE が利用できる。
  • 6章OptaPlanner および Quarkus の使用ガイド の説明に従って、Quakus OptaPlanner プロジェクトを作成している。

11.1. OptaPlanner ワクチン接種予約のスケジューラーの仕組み

スケジュール予約には、主に 2 つの方法があります。システムは、ユーザーが予約枠 (ユーザーの選択) を選択できるようにするか、システムが予約枠を割り当ててそのユーザーにワクチン予約の日付と場所 (システムの自動割当) を通知することができます。OptaPlanner のワクチン接種予約スケジューラーは、システム自動割り当てのアプローチを使用します。OptaPlanner ワクチン接種予約スケジューラーでは、システムに情報を提供するアプリケーションを作成して、システムが予約を割り当てます。

このアプローチの特徴は次のとおりです。

  • 予約枠は優先順位に基づいて割り当てられます。
  • システムは、事前設定したプランニング制約に基づいて、最適な時間と場所を割り当てます。
  • システムは、多数のユーザーが少ない予約数に殺到しても、圧迫されることはありません。

このアプローチにより、プランニング制約を使用して各ユーザーのスコアを作成し、できるだけ多くの人がワクチン接種を受けられるようにする問題を解決します。スコアで、予約を取得するタイミングが決まります。スコアが高いほど、早い段階で受信できる可能性が高くなります。

11.1.1. OptaPlanner ワクチン接種予約のスケジューラーの制約

OptaPlanner ワクチン接種予約のスケジューラー制約は、ハード、中程度、またはソフトのいずれかです。

  • ハード制約は、絶対に違反できません。ハード制約に違反している場合には、プランは実行不可なので実行できません。

    • 容量: 場所、時間に関わらず、ワクチン量よりも多く予約を取らない。
    • ワクチン接種年齢上限: ワクチンに年齢の上限がある場合には、1 回目のワクチン接種時にワクチンの年齢の上限以上の方には投与しないようにする。年齢にあったワクチンタイプを投与するようにします。たとえば、75 歳の方には、年齢の上限が 65 歳のワクチンの予約を割り当てないようにします。
    • 必要なワクチンタイプ: 必要なワクチンタイプを使用する。たとえば、2 回目のワクチンは、1 回目と同じタイプを使用する必要があります。
    • 準備が整う日: 指定の日付以降にワクチンを投与する。たとえば、2 回目の投与を受ける場合に、特定のワクチンタイプを最短で接種が可能な推奨日時よりも前に投与しないでください (例: 1 回目の接種から 26 日後など)。
    • 期日: 指定された日付以前にワクチンを接種する。たとえば、2 回目の投与を受ける場合に、特定のワクチンタイプを接種可能な推奨最終日よりも前に投与してください (例: 1 回目の接種から 3 ヶ月後など)。
    • 移動の最大距離の制限: 最寄りのワクチンセンターグループに、各接種者を割り当てる。通常、これは 3 つのセンターのいずれかになります。この制限は、距離ではなく移動時間によって計算されるので、郊外に居住の方に比べ、都市部に居住する方は最大距離が短くなります。
  • 中程度の制約は、全員に予約を割り当てる空きがない場合に、どの接種希望者が予約できないかを決定します。これは、過剰制約プランニングと呼ばれます。

    • 2 回目のワクチン接種予約: 理想の日付が計画枠外になってしまう場合を除き、2 回目のワクチン接種予約を割り当てずに放置しないようにする。
    • 優先度評価に基づくスケジュール設定: 各接種者に優先度評価がある。これは、通常年齢ですが、医療関係者などの場合には優先度が高くなります。優先度が最も低い場合にのみ、予約を割り当てずに放置できます。次のワクチン接種のタイミングで考慮されます。2 回目の投与は優先度評価よりも優先されるので、この制約は以前の制約よりもソフトです。
  • ソフト制約は、違反しないようにしてください。

    • 希望のワクチンセンター: 接種者が希望するワクチンセンターがある場合は、そのセンターで予約を入れる。
    • 距離: 接種者が割り当てられたワクチンセンターまで移動する距離を最小限に抑える。
    • 理想の日付: できるだけ指定の日付に近い日にワクチンを投与する。たとえば、2 回目の投与を受ける場合に、特定のワクチンで理想の日付に投与します (例: 1 回目の接種から 28日後など)。この制約は、距離制約よりもソフトで、理想の日付に近づけるために、遠方まで出向かせる必要がないようにします。
    • 優先度評価: 優先度評価の高い方から、予約枠で日付が近い順に割り当てる。この制約は、距離制約よりもソフトで、遠方まで出向かせる必要がないようにします。2 回目の投与は優先度評価よりも優先されるので、この制約も以前の制約よりもソフトです。

ハード制約は、他のハード制約と比べて、重み付けを行います。ソフト制約は、他のソフト制約と比べて、重み付けを行います。ただし、ハード制約は、常に中程度およびソフト制約よりも優先されます。ハード制約に違反している場合には、プランは実行できません。ただし、ハード制約に違反していない場合には、優先度を判定するためにソフト制約および中程度の制約が考慮されます。空きがある予約枠よりも希望者が多いので、優先付けが必要です。2 回目の投与予約は必ず先に割り当て、後ほどシステムに負荷がかからないようにバックログの作成は回避します。その後、優先度評価をもとに割り当てていきます。優先度評価「年齢」から評価を開始します。この評価では、若い人よりお年寄りが優先されます。その後、特定の優先度のグループには、200-300 ポイントなど、余分にポイントが追加されます。これはグループの優先順位によって異なります。たとえば、看護師は追加で 1000 ポイントを受け取る可能性があります。こうすることで、年齢の高い看護師は、若い看護師よりも優先され、若い看護師は看護師ではない人よりも優先されます。以下の表は、この概念を示しています。

表11.1 優先順位評価の表

年齢職業優先順位の評価

60

看護師

1060

33

看護師

1033

71

定年退職

71

52

オフィスワーカー

52

11.1.2. OptaPlanner のソルバー

OptaPlanner のコアには Solver があり、エンジンは、問題データセットを取り、プランニングの制約および設定をオーバーレイします。問題データセットには、人、ワクチン、ワクチンセンターなどの情報すべてが含まれます。ソルバーは、さまざまなデータを組み合わせて機能し、最終的に特定のセンターでワクチン接種予約を割り当てる時に、最適な予約スケジュールを決定します。以下は、ソルバーで作成されたスケジュールを示しています。

vaccinationSchedulingValueProposal

11.1.3. 継続プランニング

継続プランニングは、1 つ以上の今後のプランニング期間をまとめて管理して、そのプロセスを月単位、週単位、日単位、1 時間単位、またはそれよりも短い単位で繰り返す手法です。プランニング枠は、指定した間隔で増分して進められます。以下は、毎日更新される 2 週間のプランニング枠を示しています。

vaccinationSchedulingContinuousPlanning

2 週間計画枠を半分に分割します。1 週間目は公開状態で、2 週間目がドラフト状態にあります。プランニング枠の公開部分とドラフト部分の両方で、予約を割り当てます。ただし、プランニング枠の公開部分の方だけに、予約の通知が行きます。他の予約は、次の実行でまだ簡単に変更できます。こうすることで、ソルバーを次回実行すると、必要に応じて OptaPlanner が柔軟にドラフトの部分の予約を変更できます。たとえば、2 回目の投与の準備が月曜にできており、理想の日付が水曜の場合には、同じ週のドラフト予約を指定できることが証明できるのであれば、OptaPlanner は月曜に予約を割り当てる必要はありません。

プランニング枠のサイズは指定できますが、問題領域のサイズを認識しておいてください。問題領域は、スケジュールの作成に使用されるさまざまな要素すべてです。計画期間が長いと、問題領域が大きくなります。

11.1.4. 固定されたプランニングエンティティー

1 日単位で継続的にプランニングしている場合には、 2 週間の中ですでに割り当てられている予約枠があります。ダブルブッキングされないように、OptaPlanner は予約枠が割り当て済みと固定することができます。1 つ以上の特有の割当のアンカリングや、OptaPlanner が強制的に固定の割当を除外してスケジュールするのに、「固定」機能を使用します。予約など、固定されたプランニングエンティティーは、解決時には変更されません。

エンティティーが固定されているかどうかは、予約の状態により分かります。予約の状態には OpenInvitedAcceptedRejected または Rescheduled があります。

注記

OptaPlanner エンジンは、予約が固定されているかどうかのみに着目するので、クイックスタートのデモコードに予約の状態は直接表示されません。

スケジュール済みの予約に近い日付で、プランニングできるようにする必要があります。状態が Invited または Accepted の予約が固定されます。状態が OpenReschedule および Rejected の予約は固定さず、スケジューリングに利用できます。

この例では、ソルバーが実行されると、公開範囲とドラフト範囲の両方を含めた 2 週間の計画枠全体を検索します。ソルバーは、スケジューリング前の入力データに加え、固定されておらず、状態が OpenReschedule または Rejected の予約、エンティティーを検討して、最適解を見つけ出します。ソルバーを日次で実行する場合には、ソルバーを実行する前に新しい日付が追加されることが確認できます。

新しい日付に予約が割り当てられ、固定ウィンドウのドラフト部分で、これまでにスケジュールされていた Amy と Edna が公開部分の枠で予約が取れていることが分かります。これは、Gus および Hugo が再スケジュールを依頼したので可能となりました。Amy と Edna にはドラフトの日付が通知されていないので、混乱を招くことはありません。これで、計画枠の公開部分で予約が取れたので、Amy と Edna には通知が送信され、その予約を承諾するか拒否するかが確認され、この 2 人の予約が固定されます。