Agent-based Dynamic Scheduling for Flexible Manufacturing Systems

The need to react to fluctuations and versatility in market demand and face competition threats has led to the increasing trend to produce a wide variety of product types in small batches. The advent of advanced technology like computerized numerically controlled (CNC) machines and automatic guided vehicles has enabled the realization of flexible manufacturing systems (FMSs). FMSs aim at bringing the efficiency of mass production to small-to-medium sized batch production with high product diversity. This objective calls for scheduling approaches that optimize the utilization of the applied technology and at the same time react to the environmental dynamics flexibly. Conventional scheduling approaches fail to provide a mechanism for reacting to the dynamics of FMSs in a timely and efficient manner. Approaches that cater for optimality by a thorough investigation of available schedule alternatives always fail to exhibit real-time reactivity due to the high complexity of the problem. In this research work, an agent-based concept for the flexible and efficient FMS scheduling is proposed. The inherent complexity of the FMS scheduling problem is tackled by decomposing it into autonomous agents. These agents are organized in a hetrarchical multi-layered architecture that builds on the flexibility of FMSs. Every involved agent applies search heuristics to optimize its assigned task out of its local perspective. Through the interactions among the concerned agents along the different levels of abstraction, the schedule is optimized from the global perspective in reasonable time. Different scheduling modes are supported to account for the different managerial decisions and the different environmental conditions. The generated schedule is adapted to disturbing events such as machine breakdowns based on a schedule repair method that caters for automating the reaction to disturbances efficiently in real-time. In addition, structural changes of FMSs, including the addition of new resources, are incorporated dynamically into the proposed scheduling, which guarantees long-term flexibility. Die Notwendigkeit, im Markt auf Schwankungen und Vielfalt der Nachfrage sowie auf den harten Wettbewerb zu reagieren, hat zu dem zunehmenden Trend gefuhrt, eine Vielzahl von Produkttypen in Kleinserien zu produzieren. Die Einfuhrung von fortschrittlichen Technologien, wie numerisch gesteuerte Maschinen und fahrerlose Fahrzeuge, hat die Realisierung von flexiblen Fertigungssystemen (FFS) ermoglicht. Ziel dieser flexiblen Fertigungssysteme ist es, die in der Massenproduktion erreichte Effizienz auf die kleine bis mittlere Serienfertigung mit hoher Produktvielfalt zu ubertragen. Dieses Ziel setzt Ablaufplanungsansatze voraus, die die eingesetzte Technologie effizient ausnutzen und zugleich eine gewisse Flexibilitat in der Reaktion auf die Dynamik im Produktionsumfeld aufweisen. Konventionelle Ansatze der Ablaufplanung sind nicht in der Lage, eine rechtzeitige Reaktion der FFS auf die Dynamik im Produktionsumfeld zu gewahrleisten. Ansatze, die eine sorgfaltige Untersuchung der verfugbaren alternativen Ablaufplane verfolgen, sind auf Grund der hohen Komplexitat des Problems nicht geeignet, da sie Echtzeit-Bedingungen verletzen. In dieser Arbeit wurde ein agentenbasiertes Konzept fur die flexible und effiziente FFS- Ablaufplanung entwickelt. Die Reduzierung der inharenten Komplexitat des FFS-Ablaufplanungs-Problems wird durch die Zerlegung in autonome Agenten erreicht. Diese Agenten sind in einer mehrschichtigen Architektur, die auf der Flexibilitat der FFS aufbaut, hierarchisch angeordnet. In jedem der beteiligten Agenten sind Suchheuristiken realisiert, die es ihm ermoglichen, die ihm gestellten Aufgaben aus seiner lokalen Perspektive zu optimieren. Durch die Interaktion zwischen den Agenten auf den verschiedenen Abstraktionsebenen wird der Ablaufplan aus der globalen Perspektive in angemessener Zeit optimiert. Um die verschiedenen Fuhrungsentscheidungen und die verschiedenen Umgebungsbedingungen zu berucksichtigen, werden verschiedene Ablaufplanungsmodi unterstutzt. Der generierte Ablaufplan wird anhand einer Methode, die fur eine automatische Reaktion auf Storungen effizient und in Echtzeit sorgt, an Storeinflusse wie Maschinenausfalle angepasst. Daruber hinaus konnen strukturelle Veranderungen der FFS, einschlieslich der Hinzufugung neuer Ressourcen, dynamisch in die vorgeschlagene Zeitplanung, die zur Gewahrleistung einer langfristigen Flexibilitat dient, ubernommen werden.