Zusammenfassung
Produktionsprozesse werden allgemein in kontinuierliche und diskrete25 Prozesse unterschieden [GOR78]. Die vorliegende Arbeit beschränkt sich im folgenden auf die Untersuchung diskreter Produktionsprozesse. Entsprechend der Notation der Systemtheorie kann ein diskreter Produktionsprozeß als System26 definiert werden, welcher zielorientiert eine Transformation von “Input-Objekten” in “Output-Objekte”27 durchführt. Die Transformation besteht aus einem oder mehreren, durch Zwischenzustände unterbrochenen Zustandsübergängen. Idealerweise sind die an den verschiedenen Zustandsübergängen des betrachteten Fertigungsprozesses beteiligten Objekte28 zeitlich so koordiniert, daß die bewertende Gesamtzielfunktion optimal wird. Aufgabe der Steuerung eines Fertigungsprozesses ist eine möglichst optimale Koordination der am Produktionsprozeß beteiligten Objekte. Wichtig ist dabei, nicht nur die Produkte und ihre Baugruppen, Einzelteile und Rohmaterialien zu berücksichtigen, sondern auch Mitarbeiter sowie alle relevanten Betriebsmittel und Betriebshilfsmittel in die Koordination einzubeziehen29.
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Literatur
Nach Becker [BECK91] sind diskrete oder Stückgutproduktionsprozesse dadurch definiert, daß die Güter in abzählbaren und unterscheidbaren Mengen gefördert und bearbeitet werden, während in kontinuierlichen Prozessen die geförderten und bearbeiteten Stoffe (Flüssigkeiten, Gase) nicht unterscheidbar sind.
“Die allgemeine Systemtheorie ist die formale Wissenschaft von der Struktur, den Verknüpfungen und dem Verhalten von Systemen. (...) Ein System (ist) eine Gesamtheit von Elementen, zwischen denen Beziehungen bestehen oder hergestellt werden können. “(aus [WAR84], Seite 2)
“Die Beziehungen zwischen System und Umwelt werden allgemein als Input bzw. Output bezeichnet, je nach Richtung dieser Beziehung, (...). Die Beziehungen können Energie, Materie und Information umfassen.” (aus [WAR84], Seite 3)
Der Begriff “Objekte” umfaßt alles zur Durchführung der Produktion notwendige, zum Beispiel Werker, Materialien, Werkzeuge, Arbeitsbeschreibungen, Hilfsstoffe etc.
Dangelmaier et al. [DAN90] drücken die Koordinationsaufgabe entsprechend obiger Definition ebenfalls gesamtheitlich aus: “Ein im Sinne der Leistungserfordernisse ungestörter Fertigungsprozeß setzt voraus, daß die benötigten Materialien, Arbeits- und Hilfsmittel in der richtigen Menge zum richtigen Zeitpunkt zur Verfügung stehen.” Demgegenüber ist beispielsweise die Logistikdefinition [BALL85] nur produktorientiert.
Vgl. auch Schmitt: “Der Fertigungstyp Werkstattfertigung (..) ist das bis heute am häufigsten anzutreffende Fertigungsprinzip und dadurch gekennzeichnet, daß die Fertigungsaufträge nacheinander in mehreren Arbeitsvorgängen an ortsgebundenen Maschinen gefertigt werden, wobei jeder Auftrag Maschinen in einer, gemäß dem Arbeitsplan, technologischen Reihenfolge durchläuft.” ([SCMT89], Seite 2), bzw. Kühnle: “Charakteristisch für die Werkstattfertigung ist die Zusammenfassung von Fertigungsmitteln mit gleichartigen Fertigungsverrichtungen zu Betriebsabteilungen und das Fehlen fester Transportbeziehungen zwischen den Fertigungsmitteln.” ([KÜLE93B], Seite 31)
Nach Dangelmaier et al. [DAN90] entstehen Steuerungsnotwendigkeiten bei: Eintritt oder Austritt von Objekten aus dem betrachteten Fertigungsbereich, bei Aufteilung oder Zusammenführung des Materialflusses sowie bei einer Änderung der Arbeitsgeschwindigkeit.
Algorithmus bezeichnet eine “Menge von Regeln, durch deren schematische Befolgung man eine bestimmte Aufgabe lösen kann.” (aus [MÜL82])
“Methode (gr.: Weg zu etwas hin): systematische, zielgerichtete Vorgehensweise, sowie ein planmäßiges Verfahren, welches für eine Vielzahl von Problemen zu einer Lösung führt.” [ENG93]. Im folgenden werden Methode und Verfahren synonym verwendet.
Produkte bezeichnen die geplanten Ausgangsgrößen bzw. -objekte eines Arbeitssystems [WAR84].
“Betriebsmittel umfassen neben der Grundausstattung (...) die Fertigungsmittel (...), möglicherweise zusätzlich Meß- und Prüfmittel (...) sowie Fördermittel zur Verkettung von Fertigungsmitteln (...) und Puffereinrichtungen (...).” (aus [WAR84], Seite 444)
Auftrag im Bereich der Fertigungsteuerung bezeichnet die “schriftliche oder mündliche Aufforderung einer befugten Stelle eines Unternehmens an eine andere Stelle desselben Unternehmens zur Ausführung einer Arbeit.” [VDI78]
“Ein Leitsystem hat die Aufgabe der Koordination und Überwachung des technischen und organisatorischen Informationsflusses.” (aus [SIEW94], Seite 15)
“Die untergeordneten prozeßnahen Steuerungsgeräte sind zur automatisierten Auftragsdurchsetzung informationstechnisch direkt an das Leitsystem angebunden, eine umfassende Kopplung zu übergeordneten PPS-Systemen besteht nicht.” (aus [BRAN93], Seite 35)
“Durchsetzungsplanung: Funktionsbaustein (eines Leitsystems) zur automatischen Abarbeitung eines Kapazitätsbelegungsplans (..).” (aus [SIEW94], Seite 16)
Obwohl Frequenz und Schwere der Ereignisse vom jeweiligen Prozeß abhängen, sind Fertigungsprozesse in der Regel stochastischer Natur, (siehe auch [WCK91])
“Reagieren” bedeutet zunächst, das Ereignis zu bewerten und die Auswirkungen bezüglich des Planzustandes abzuschätzen. Erst wenn sich aus dieser Analyse Handlungsbedarf ergibt, müssen Maßnahmen zur Wiederherstellung des Planzustandes getroffen werden, (siehe auch [MER93])
“Richtig” heißt hier optimal in Bezug auf die bewertende Zielfunktion.
Die Zeithorizonte der verschiedenen Planungs- und Steuerungsebenen richten sich nach der Frequenz der Steuerungsanforderungen des realen Prozesses [AK3–92].
“Zu Beginn der operativen Phase (werden) folgende Sachverhalte vorausgesetzt: die Systemauftragsvorgangsgenerierung erfolgt in der dispositiven Phase (..), “Zu Beginn der operativen Phase (werden) folgende Sachverhalte vorausgesetzt: der Kapazitätsbelegungsplan ist vorhanden (..), “Zu Beginn der operativen Phase (werden) folgende Sachverhalte vorausgesetzt: der Werkzeugbelegungsplan ist erstellt (..), “Zu Beginn der operativen Phase (werden) folgende Sachverhalte vorausgesetzt: die Kapazitätseinheiten (..) sind eindeutig festgelegt (..).” (aus [SIEW94], Seite 42 ff.)
Der Begriff “Planungsverfahren” umfaßt im folgenden als Oberbegriff auch optimierende Verfahren.
Die Inuit Grönlands und Nordamerikas haben für verschiedene Schneearten ca. 50 verschiedene Begriffe entwickelt. Für einen Außenstehenden ergeben sich zwei Probleme: es fehlt sowohl die Kenntnis der Wörter als auch die kulturelle Erfahrung, die zu der genauen Differenzierung nötig ist [TUR79].
Objekte und Vorgänge werden nur so genau beschrieben, wie in der Situation nötig. Der Begriff “Haus” beschreibt eine Vielzahl verschiedener Gebäude. Durch Assoziation vorhandenen Wissens steht bei der Erwähnung des Begriffs sofort eine Menge an Wissen (Struktur, Errichtung, kulturelle Rolle etc.) zur Verfügung. Bei Bedarf kann der Begriff weiter detailliert werden [AUST79].
“Der Grundwortschatz umfaßt (..) etwa 2000 Wörter und Redewendungen. Mit seiner Hilfe kann man einen normalen (..) Text zu etwa 85% erfassen.” (aus [NICK77], S. 9)
Die Elemente sind die Einheiten, aus denen die Sprache zusammen gesetzt ist. Die Syntax definiert die Verknüpfungsregeln für die Elemente und die Semantik die Bedeutung der Konstruktion.
Intuition: Erkennung des Wesens eines Gegenstandes in einem Akt ohne Reflexion [DUD60]
Orakelsprüche sind Beispiele für Aussagen, die in der Regel zwar genau, aber nicht eindeutig sind.
Automatisierungsgrad bezeichnet den Anteil der automatisierten Funktionen an den Gesamtfunktionen eines Systems.
Der Begriff Simulationstechnik bezieht sich hier nur auf rechnergestützte, diskrete Simulationsverfahren (siehe [BECK91]). Nach der VDI-Richtlinie 3633 wird Simulation wie folgt definiert: “Simulation ist die Nachbildung eines dynamischen Prozesses in einem Modell, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind.” [VDI83]
Trotz mangelnder Automatisierung wird die simulative Planung in Verbindung mit dem Planer hier als Optimierungsverfahren behandelt [SOL89], [BECK91].
Die fehlende Mächtigkeit der Verfahren stellt das Hauptproblem dar: “... many of the non-linear and integer formulations proved to be very difficult problems to solve, which forced investigators to introduce simplifying assumptions. In doing so, they lost much of what industrial practitioners saw as essential aspects of the planning and scheduling problems they had to deal with in real life.” (aus [SOL89], S. 920)
Der Begriff “optimierendes Verfahren” wird im folgenden als Oberbegriff für exakte Verfahren und für Näherungsverfahren verwendet. Optimierende Verfahren sind daher solche Verfahren, die einen Extremwert der Zielfunktion erreichen wollen, unabhängig davon, ob dieser Extremwert ein relativer oder ein absoluter ist.
In Anlehnung an Müller-Merbach [MÜM73] wird hier der Begriff “lineare Planungsrechnung” verwendet, der gleichbedeutend ist mit den Begriffen “lineare Programmierung” und “lineare Optimierung” sowie dem englischen “linear programming”.
Die SIMPLEX-Methode, teilweise mit Ganzzahligkeitsauflösung, ist unter anderem erfolgreich angewendet worden bei Produktionsprogrammproblemen, Mischungsproblemen, Transportproblemen [BOOK89] und Zuordnungsproblemen [DAN90].
Nach Müller-Merbach [MÜM73] umfassen die exakten Verfahren zur Auflösung der Ganzzahligkeitsbedingungen “cutting plane” Verfahren und Entscheidungsbaumverfahren (“Branch and Bound”).
Zur Bewertung heuristischer Verfahren zur Dekomposition, siehe weiter unten.
In der Literatur des Operations Research ist verschiedentlich bewiesen worden, daß die Aufgaben der Werkstattsteuerung im allgemeinen NP-hart beziehungsweise NP-vollständig sind (siehe oben sowie [GAR76], [ULL75]).
Vgl. Müller-Merbach: “Das Hauptanwendungsfeld heuristischer Verfahren bilden (..) solche Optimierungsprobleme, die mit vertretbarem Rechenaufwand einer exakten Lösung nicht zugänglich sind.” (aus [MÜM73], Seite 291)
Siehe z.B. [SCU91] für eine Beschreibung der Heuristik für die in Kapitel 7.3 beschriebene Aufgabenstellung.
Vgl. z.B. [PAN77] für eine Übersicht über 113 lokale Prioritätsregeln.
Vgl. auch Beck: “The scheduling method most commonly adopted in practice (i.e. heuristic dispatch rule scheduling), although a practical and well-tested-approach, has been subject to a number of criticisms. These include: (i) difficulty in managing intermittent production as is typically required within a job-shop, (ii) provision of a weak theoretical base to understand the applicability of methods and the generality of results obtained, and (iii) a restricted ability to deal with multiple scheduling objectives, a common requirement within a manufacturing environment. “(aus [BEC93], Seite 139)
Ein Expertensystem besteht nach Steinmann [STE90] aus: Wissensbasis, Inferenzmodul, Erklärungskomponente, Dialogkomponente und Wissenserwerbskomponente.
Der deutsche Begriff “Agent” ist vom dem englischen Begriff “agent” übernommen worden, der dort das, im Vergleich zum Deutschen, größere Begriffsfeld für “Vertreter” oder “Beauftragter” abdeckt.
“Blackboard” ist der englische Begriff für “Wandtafel”.
In [ROB94] werden acht Anwendungsbereiche für Simulation genannt: Fabrikplanung, Optimierung bestehender Fabriken, Entwicklung des Informationsfluß, Optimierung des Materialfluß, Untersuchung neuer Logistikkonzepte, Unternehmensmodellierung, Werkstattsteuerung, Schulung von Personal.
Vgl. auch Bäck: “Faßt man (...) das Simulationsmodell als Zielfunktion/im Rahmen eines Parameteroptimierungsproblems auf, so lassen sich eine Reihe von Charakteristika für/identifizieren, welche die Optimierung zu einer komplexen Aufgabenstellung werden lassen:
Vgl. auch Bäck: “Faßt man (...) das Simulationsmodell als Zielfunktion/im Rahmen eines Parameteroptimierungsproblems auf, so lassen sich eine Reihe von Charakteristika für/identifizieren, welche die Optimierung zu einer komplexen Aufgabenstellung werden lassen: 1 Die Zielfunktion ist nicht (stetig) differenzierbar bzw. glatt; analytische Informationen über Ableitungen sind nicht vorhanden.
Vgl. auch Bäck: “Faßt man (...) das Simulationsmodell als Zielfunktion/im Rahmen eines Parameteroptimierungsproblems auf, so lassen sich eine Reihe von Charakteristika für/identifizieren, welche die Optimierung zu einer komplexen Aufgabenstellung werden lassen: 2 Die Zielfunktion ist multimodal und hochdimensional.
Vgl. auch Bäck: “Faßt man (...) das Simulationsmodell als Zielfunktion/im Rahmen eines Parameteroptimierungsproblems auf, so lassen sich eine Reihe von Charakteristika für/identifizieren, welche die Optimierung zu einer komplexen Aufgabenstellung werden lassen: 3 Optimalstellen der Zielfunktion sind möglicherweise sensibel gegenüber kleinen Parameteränderungen, so daß die technische Umsetzung im Rahmen der vorgegebenen Toleranzen nicht möglich ist. Im Extremfall kann die Zielfunktion fraktale Charakteristika auf weisen.
Vgl. auch Bäck: “Faßt man (...) das Simulationsmodell als Zielfunktion/im Rahmen eines Parameteroptimierungsproblems auf, so lassen sich eine Reihe von Charakteristika für/identifizieren, welche die Optimierung zu einer komplexen Aufgabenstellung werden lassen: 4 Die Optimalstelle (und das Optimum) kann zeitlich variieren.
Vgl. auch Bäck: “Faßt man (...) das Simulationsmodell als Zielfunktion/im Rahmen eines Parameteroptimierungsproblems auf, so lassen sich eine Reihe von Charakteristika für/identifizieren, welche die Optimierung zu einer komplexen Aufgabenstellung werden lassen: 5 Üblicherweise sind — meist wiederum nicht-lineare — Restriktionen zu berücksichtigen. Der zulässige Bereich kann sogar unzusammenhängend sein.
Vgl. auch Bäck: “Faßt man (...) das Simulationsmodell als Zielfunktion/im Rahmen eines Parameteroptimierungsproblems auf, so lassen sich eine Reihe von Charakteristika für/identifizieren, welche die Optimierung zu einer komplexen Aufgabenstellung werden lassen: 6 Unter Umständen sind mehrere Gütekriterien gleichzeitig zu optimieren (mehrkriterielle Optimierung).
Vgl. auch Bäck: “Faßt man (...) das Simulationsmodell als Zielfunktion/im Rahmen eines Parameteroptimierungsproblems auf, so lassen sich eine Reihe von Charakteristika für/identifizieren, welche die Optimierung zu einer komplexen Aufgabenstellung werden lassen: 7 Die Zielfunktion kann stochastischen Störungen unterworfen sein.” (aus [BÄCK93], Seite 50–51)
Beide Verfahren fallen neben z.B. dem Verfahren des “genetic programming” in die Klasse der evolutionsbasierten Verfahren.
Als Evolution soll hier der “Prozeß genetisch manifesten Wandels in der Generationenfolge von Organismen” verstanden werden, siehe Zimmermann [ZIM85], Seite 98 Die biologische Evolution soll hier von der präbiotischen Evolution unterschieden werden, die vor dem Aufkommen des ersten Lebewesens gewirkt hat und teilweise auf anderen Mechanismen beruht hat (siehe [DAW87]).
Die metaphysische Erklärung beruht auf dem Vorhandensein einer höheren Kraft und ist Gegenstand der Religionen. Auch die evolutionsbasierte Erklärung schließt das Vorhandensein einer höheren Kraft nicht aus [DUR85].
Der Begriff Fitneß ist aus der biologischen Evolutionsforschung entlehnt und beschreibt, wie gut ein Individuum an die jeweilige Umgebung angepaßt ist. Bei einer Konkurrenzsituation in der gleichen Umgebung (ökologische Nische) hat das besser angepaßte (= fittere) Individuum bessere Überlebenschancen (“survival of the fittest”). Fitneß beschreibt hier die Güte einer Lösung.
Vgl. auch Nedeß: “Zukünftige PPS-Systeme werden Bedarfs- und Kapazitätsaspekte simultan berücksichtigen können, dies wird verstärkt auch durch den Einsatz von Simulationstechniken erreicht werden können.”(Seite 16) oder [WCK91]: “In der Produktionssteuerung stellt die Simulation sowohl für die lang- und mittelfristige Planung auf der Ebene des PPS-Systems als auch für die kurzfristige Planung im prozeßnahen Bereich der Produktionsfeinplanung ein wesentliches Hilfsmittel dar.” ([NEDE91], Seite 89)
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Schulte, J. (1995). Abgrenzung der Werkstattsteuerung und Bewertung vorhandener Verfahren. In: Werkstattsteuerung mit genetischen Algorithmen und simulativer Bewertung. IPA-IAO Forschung und Praxis, vol 220. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-47964-9_3
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