Resource allocation methods for defence and infrastructure systems

Abstract

Organizations initiate research and development projects as well as other investments in order to build and maintain long-term capabilities that contribute the attainment of their strategic objectives. Typically they have limited resources and can therefore select only a subset of available investment alternatives when seeking to maximize the overall value which is defined in terms of multiple objectives. These decisions can be challenging due to uncertainties about the future value of investment alternatives, interdependencies between alternatives, and possible conflicting preference statements about the relative importance of the objectives. This Dissertation develops methods to support the allocation of resources to investment alternatives by evaluating portfolios (i.e. combinations) of alternatives. These methods help identify portfolios which are efficient with regard to multiple levels of resource expenditures so that statements from multiple information sources (e.g. expert judgments and simulation models) are transparently taken into account. Furthermore, the methods permit analyses with regard to different scenarios that portray possible states of future and handle incomplete information about the importance of objectives. The proposed resource allocation methods are illustrated by examining problems from defence planning and critical infrastructure risk management. Both of these interconnected application areas are under budgetary pressure while national security threats are taking increasingly diverse forms. The examples show that the developed methods and computational algorithms can be usefully applied. Moreover, the methods are also generic enough to be used in 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.

Organisaatiot panostavat tutkimus- ja kehityshankkeisiin sekä muihin investointeihin luodakseen ja ylläpitääkseen strategisten tavoitteidensa saavuttamiseksi tarvittavia kyvykkyyksiä. Tyypillisesti niillä on vaihtoehtoisia investointeja varten käytettävissään rajallisesti resursseja, jolloin vain osa vaihtoehdoista voidaan toteuttaa. Resurssien allokoinnin tavoitteena on maksimoida valittujen investointien kokonaisarvoa monen arviointikriteerin valossa. Tällainen allokointipäätös on haasteellista, koska investoinnit voivat vaikuttaa toisiinsa ja niiden tulevaan arvoon liittyy usein epävarmuutta. Lisäksi arviointikriteerien välisistä keskinäisistä tärkeyksistä voi vallita erilaisia ja jopa ristiriitaisia näkemyksiä. Tässä väitöskirjassa kehitetään menetelmiä, jotka tukevat resurssien allokointia useiden investointivaihtoehtojen muodostamille kokonaisuuksille eli portfolioille. Kehitettyjen menetelmien avulla voidaan tunnistaa ne portfoliot, jotka ovat tehokkaita useilla resurssitasoilla suhteessa useaan eri tietolähteeseen kuten asiantuntija-arviointeihin ja simulointimalleihin. Lisäksi menetelmien avulla voidaan tuottaa analyyseja erilaisissa vaihtoehtoisia tulevaisuuden tiloja kuvaavissa skenaarioissa. Portfolioiden tehokkuus voi riippua siitä, missä skenaariossa arvioinnit tehdään ja miten tärkeitä arviointikriteerit ovat eri skenaarioissa. Kehitettyjä resurssien allokointimenetelmiä havainnollistetaan tarkastelemalla puolustuksen suunnitteluun ja kriittisen infrastruktuurin riskienhallintaan liittyviä ongelmia. Nämä toisiinsa kytkeytyvät alat ovat resurssien leikkauspaineiden alaisia samaan aikaan kun turvallisuusuhkat ovat entistä monimuotoisempia. Esimerkkitarkastelut osoittavat, että kehitettyjä menetelmiä ja laskennallisia algoritmeja voidaan hyödyntää tuloksellisesti näillä aloilla. Lisäksi menetelmät ovat riittävän geneerisiä, jotta niitä voidaan käyttää myös muualla. Esimerkiksi energiasektorin on yhtäältä kyettävä takaamaan energian riittävä saatavuus ja toisaalta varmistettava, että tuotantojärjestelmät pystyvät sietämään erilaisia häiriötilanteita ja toipumaan niistä.