Decentralized Scheduling of Discrete Production Systems with Limited Buffers
Creators: name: Zimmermann, Olaf
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Production Planning
Decentral
Agent-Based
Limited Buffer
Scheduling
Multi-Agent System

description: Die Steuerung der Produktion ist eine der Kernaufgaben eines jeden produzierenden Unternehmens. Sie ist insbesondere wichtig, um auf die Anforderungen des Marktes und damit auf die Wünsche der Kunden reagieren zu können. Aktuelle Trends im Markt führen dabei zu einer hochindividualisierten Produktion bei gleichzeitiger Erhöhung der produzierten Stückzahlen. Eine Konsequenz daraus ist, dass Unternehmen über flexiblere und agilere Produktionssysteme verfügen müssen, um auf die sich ständig ändernden Kundenwünsche reagieren zu können. Da starre Fertigungslinien nicht mehr geeignet sind, werden zunehmend komplexere Strukturen wie die der Werkstattfertigung oder Matrixproduktion eingesetzt. Hierfür werden geeignete Steuerungsmethoden für die Produktion benötigt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit eben jenen Steuerungsmethoden, genauer gesagt Methoden zur Planung von Produktionsaufträgen in diesen neuen Produktionssystemen. Zur Steuerung eignen sich echtzeitfähige und autonome Entscheidungssysteme, mit denen die Steuerung der neuen Organisationsstruktur der Produktion angepasst ist. Agentenbasierte Systeme bieten genau diese Eigenschaften und erlauben es, komplexe Planungsaufgaben in kleinere Teilprobleme zu zerlegen, die schneller und genauer gelöst werden können. Sie erfordern die Verfügbarkeit von Daten in Echtzeit und eine schnelle Kommunikation zwischen den Agenten, was heute dank der vierten industriellen Revolution zur Verfügung steht. Demgegenüber steht der erhöhte Koordinierungsbedarf, der in diesen Systemen beherrscht werden muss. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen dezentralen Produktionsplanungs-Algorithmus zu entwickeln, der in einem Multi-Agenten-System implementiert ist. Er berücksichtigt begrenzte Verfügbarkeit von Pufferplätzen an jedem Arbeitsplatz, ein Thema, das in der Literatur wenig erforscht ist. Der Algorithmus ist in einer flexiblen Werkstattfertigung anwendbar und zeigt eine große Zeiteffizienz bei der Einplanung größerer Mengen von Aufträgen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird zunächst der Produktionsplanungs-Algorithmus ohne das Agentensystem entworfen. Er basiert auf der von \textcite{adams1988} veröffentlichten Shifting Bottleneck Heuristik. Da viele Änderungen notwendig sind, um die geforderten Eigenschaften berücksichtigen zu können, bleibt nur die grundlegende Vorgehensweise gleich, während alle Schritte der Heuristik von Grund auf neu modelliert werden. Anschließend wird ein Multi-Agenten-System entworfen, das die genannten Anforderungen abbildet und den Algorithmus zur Planung verwendet. In diesem System hat jeder Arbeitsplatz einen Arbeitsplatzagenten, der für die Planung und Steuerung seines zugeordneten Arbeitsplatzes zuständig ist, sowie einige zusätzliche Agenten für die Kommunikation, die Datenspeicherung und allgemeine Aufgaben. Der entworfene Algorithmus wird angepasst und in das Multi-Agenten-System implementiert. Da das System im praktischen Einsatz immer eine Lösung finden muss, stellen wir mögliche Fehlerfälle vor und wie mit ihnen umgegangen wird. Abschließend findet eine numerische Evaluierung mit zwei realen Produktionssystemen statt. Da sich diese Systeme in einem wichtigen Merkmal ähneln, werden weitere zufällig erzeugte Beispiele getestet und ausgewertet.