Ablaufplanung bei Chargenproduktion: Ein Dekompositionsansatz auf der Basis Evolutionärer Algorithmen

324 Pages·2001·12.354 MB·German

by  Stefan Anschütz (auth.)

AnschUtz
Ablaufplanung bei Chargenproduktion
Betriebswirtschaftliche Forschung zur Unternehmensfiihrung
Herausgegeben von Prof. Dr. Dr. h. c. Herbert Jacob (t),
Prof. Dr. Karl-Werner Hansmann, Prof. Dr. Manfred Layer,
Prof. Dr. Dieter PreBmar, Universitat Hamburg
Zuletzt erschienen:
Band 19 Zur Theorie der dynamischen Preispolitik
Von Dr. 10m W. Roper
Band 20 Technischer Fortschritt und Technologiebewertung aus
betriebswirtschaftlicher Sicht
Von Prof. Dr. Peter Betge
Band 21 Optimale Zeitpunkte fUr Preisiinderungen
Von Dr. Christoph Mura
Band 22 Dauerhafte Giiter
Von Dr. Reinhard Wienke
Band 23 Entscheidung unter Unsicherheit
Von Dr. Richard Gottwald
Band 24 Strategische Planung und Unsicherheit
Von Prof. Dr. Kai-Ingo Voigt
Band 25 Produktionsplanung und Belegung von Montagefliichen
Von Dr. Uwe Petersen
Band 26 Kapazitiitsorientierte Produktionssteuerung
Von Dr. Kai Kleeberg
Band 27 Planung des Designs flexibler Fertigungssysteme
Von Dr. Ursula Dankert
Band 28 Produktionsplanungs-und -steuerungssysteme
Von Priv.-Doz. Dr. Wolf-Eckhard Kautz
Band 29 Auslandsinvestitionsrechnung
Von Dr. Jiirgen Scholz
Band 30 Unternehmenszusammenschliisse
Von Dr. Stephan Paprottka
Band 31 Gewinnorientierte Planung der Produktqualitiit
Von Dr. Peter Bielert
Band 32 Kiinstliche neuronale Netze in Management-Informationssystemen
Von Dr. Bjorn Alex
Band 33 Produktionsplanung und -steuerung einer flexiblen Fertigung
Von Dr. Michael Hock
Band 34 Umweltorientierte Investitionsplanung
Von Dr. Christian Friedemann
Band 35 Strategien im Zeitwettbewerb
Von Prof. Dr. Kai-Ingo Voigt
Band 36 Ablaufplanung in der chemischen Industrie
Von Dr. Martin KieBwetter
Band 37 Fuzzy-PPS-Systeme
Von Dr. Frank Keuper
Band 38 Erfolgswirkungen strategischer Umweltmanagementma8nahmen
Von Dr. Nils Bickhoff
Band 39 Ablaufplanung bei Chargenproduktion
Von Dr. Stefan Anschutz
Stefan AnschUtz
Ablaufplanung bei
Chargenproduktion
Ein Dekompositionsansatz auf der
Basis Evolutionarer Algorithmen
Mit einem Geleitwort
von Prof. Dr. Dieter PreBmar
Deutscher Universitots-Verlag
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Anschutz, Stefan:
Ablaufplanung bei Chargenproduktion : ein Dekompositionsansatz auf der Basis
EYolutioniirer Algorithmen / Stefan AnschUtz. -Mit einem Geleitw. yon Dieter PreBmar.
- 1. Aufl .. -Wiesbaden : Dt. DniY.-Verl. ; Wiesbaden : Gabler, 2001
(Betriebswirtschaftliche Forschung zur Dnternehmensfiihrung ; Bd. 39)
Zugl.: Hamburg, Dniy., Diss., 2001
ISBN-13: 978-3-8244-9068-4 e-ISBN-13: 978-3-322-89154-9
DOl: 10.1007/978-3-322-89154-9
1. Auflage Dezember 200 1
AIle Rechte yorbehalten
© Deutscher Uniyersitiits-Verlag GmbH, Wiesbaden, 2001
Lektorat: Brigitte Siegel / Annegret Eckert
Der Deutsche Universitiits-Verlag ist ein Untemehmen der
Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer.
www.duv.de
Das Werk einschlieBlich alIer seiner Teile ist urheberrechtlich geschUtzt. Jede
Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne
Zustimmung des VerJages unzullissig und strafbar. Das gilt insbesondere fUr Ver
vielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung
und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk
berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne
der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wllren und daher von je
dermann benutzt werden diirften.
Gedruckt auf sllurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
ISBN-13: 978-3-8244-9068-4
Geleitwort
Die Produktions-und Ablaufplanung zahlt traditionell zu den zentralen Forschungsgebie
ten der Betriebswirtschaftslehre. Besonders anspruchsvoll ist die Produktionsfeinplanung
in der Prozessindustrie wegen der besonderen Komplexitat der Produktionsprozesse, die
auf der Grundlage von Rezepturen durchgefiihrt werden. Die planerische Behandlung des
Komplexitatsproblems erfordert in der Regel die Losung eines kombinatorischen Optimie
rungsproblems. Zahlreiche Losungsversuche haben bereits in der Vergangenheit gezeigt,
daB hier exakte mathematische Methoden scheitern mtissen. Deshalb wird mit dieser Ar
beit der Versuch unternommen, das praktische Planungsproblem fur die Batchproduktion
in der chemischen Industrie durch den Einsatz eines Mutations-Selektionsverfahrens in
adaquater Weise zu lOsen.
Das Buch eroffnet eine neuartige Sichtweise auf die Aufgabenstellung der Produktions
feinplanung, indem ein produktionsspezifischer Dekompositionsansatz mit dem Verfahren
des Threshold-Accepting kombiniert wird. Auf diese Weise gelingt es, Produktions- und
Ablaufplane einer bisher nicht erreichten Planungsqualitat zu berechnen. Der Verfasser
weist die Leistungsfahigkeit seines Verfahrensvorschlags an zahlreichen reprasentativen
Anwendungsbeispielen aus der Chemie-Industrie nach; er kann damit fUr sich in Anspruch
nehmen, einen praxisgerechten Planungsansatz auf der Grundlage einer breiten theoreti
schen FUndierung erarbeitet zu haben. Das vorliegende Buch ist deshalb gleichermaBen
fur die Produktionsplaner und Dispatcher der Praxis wie fur den Forscher von Interesse,
der sich fur die Losung des industriellen Ablaufplanungsproblems interessiert.
Prof. Dr. D.B. PreBmar
Vorwort
Diese Arbeit entstand wahrend meiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut
fUr Wirtschaftsinformatik der Universitat Hamburg.
An dieser Stelle mochte ich meinem akademischen Lehrer, Herrn Prof. Dr. Dieter B. PreB
mar, herzlichst fUr seine groBartige Untersttitzung tiber den gesamten Zeitraum meiner
Mitarbeitertatigkeit danken. Sein auJ3ergewohnliches Engagement und seine zahlreichen
Anregungen haben wesentlich zum Gelingen der Arbeit beigetragen.
Danken mochte ich weiterhln Herrn Prof. Dr. Klaus Hansen fUr die Ubernahme des Zweit
gutachtens sowie Herrn Prof. Dr. Manfred Layer fUr den Vorsitz des Prillungsausschusses.
GroBen Dank schulde ich meiner Kollegin Frau Dipl.-Ing.-Oec. Miriam O'Shea und meinen
Kollegen Herrn Dipl.-Kfm. Sebastian Friedrich und Herrn Dipl.-Kfm. Arno Menke, die vie
le wertvolle Hinweise zur Korrektur des Manuskriptes geliefert haben. Mein weiterer Dank
gilt Herrn Dr. Martin KieBwetter und Herrn Dipl.-Wi.-Math. Kai Brtissau fUr die vielen
fruchtbaren Diskussionen zum Thema Produktionsablaufplanung. Allen Mitarbeitern des
Instituts fUr Wirtschaftsinformatik danke ich herzlich fUr die gute Zusammenarbeit in den
letzten Jahren.
Ganz besonders mochte ich mich bei meinen Eltern bedanken. Sie haben nicht nur die
miihevolle Korrektur des Manuskriptes iibernommen, sondern waren mir auch wahrend
meiner gesamten Schul- und Studienzeit ein groBer Riickhalt. Ihnen ist diese Arbeit ge
widmet.
Stefan Anschiitz
Inhaltsverzeichnis
xv
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis XIX
Abkiirzungsverzeichnis XXI
Symbolverzeichnis XXIII
1 Einfiihrung 1
1.1 Gegenstand und Ziele der Arbeit 1
1.2 Aufbau der Arbeit ....... . 3
2 Betriebswirtschaftliche Grundlagen der Produktionsplanung 5
2.1 Aufgabenbereiche der Produktionsplanung 5
2.1.1 Produktionsprogrammplanung. 6
2.1.2 Bereitstellungsplanung .. 7
2.1.3 ProduktionsprozeBplanung 9
2.2 Produktionsablaufplanung . . . . 10
2.2.1 Planungsgegenstand und Zielsetzungen 10
2.2.2 Klassifikationsscherna flir Ablaufplanungsproblerne . 12
2.3 Methoden der operativen Produktionsplanung 14
2.3.1 Grundlegende Planungskonzepte .... 14
2.3.2 Cornputergesttitzte Produktionsplanungssysterne . 18
3 Produktionsablaufplanung bei Chargenproduktion 21
3.1 Verfahrenstechnische Produktion 21
3.1.1 BegrifRiche Abgrenzungen 21
3.1.2 Grundforrnen der ProzeBflihrung 22
3.1.2.1 Kontinuierliche Produktion 22
3.1.2.2 Chargenproduktion ..... 22
3.2 Charakteristische Merkrnale von Chargenprozessen 23
3.2.1 Anlagenstrukturen ............. . 23
x
Inhaltsverzeichnis
3.2.2 Operationsstrategie . 26
3.2.3 StofffluB . . . . . . . 30
3.3 Produktionsplanung und -steuerung bei Chargenproduktion 33
3.3.1 Rezeptfahrweise . . 33
3.3.2 Leitsysternkonzept 36
3.3.3 Klassifikation und Komplexitat des Ablaufplanungsproblems 38
3.3.4 Anforderungen an ein Verfahren zur Ablaufplanung ..... 41
4 Methoden und Modelle zur Ablaufplanung bei Chargenproduktion 45
4.1 Systematisierung der Verfahren zur Ablaufplanung. . . . . 45
4.2 Lineare und Gemischt-ganzzahlige lineare Programmierung 49
4.2.1 Methodische Grundlagen und Algorithmen 49
4.2.2 Modellierungsansatze zur Ablaufplanung 52
4.2.2.1 Modelle mit Reihenfolgevariablen 52
4.2.2.2 Modelle mit zeitbezogenen Zuordnungsvariablen . 54
4.2.2.3 Ein Modell zur simultanen LosgroBen-und Ablaufplanung
mit variablem Zeitraster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.3 Mathematische Modelle zur Ablaufplanung bei Chargenproduktion 60
4.2.3.1 Reihenfolgemodelle . . . . . . . . 60
4.2.3.2 Modelle mit zeitlicher Zuordnung 61
4.2.3.3 Ein Modell mit variablem Zeitraster 63
4.3 Evolutionare Algorithmen .... 66
4.3.1 Methodische Grundlagen . 66
4.3.1.1 Grundlagen der Evolutionstheorie . 67
4.3.1.2 Verfahrensidee ........... 68
4.3.1.3 Historische Entwicklung und Klassifikation der Verfahren . 71
4.3.1.4 MUSE-Verfahren . . . . . . . 72
4.3.1.4.1 Simulated Annealing 74
4.3.1.4.2 Threshold Accepting 76
4.3.1.5 Genetische Algorithmen und Evolutionsstrategien 77
4.3.2 Metaheuristische Modellierungsansatze zur Ablaufplanung 79
4.3.3 Metaheuristische Modelle zur Ablaufplanung bei Chargenproduktion 82
4.4 Dekompositionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Inhaltsverzeichnis XI
4.4.1 Prinzipien der Dekomposition von Ablaufplanungsproblemen 85
4.4.2 Dekompositionsansatze zur Ablaufplanung bei Chargenproduktion. 87
4.5 Bewertung der Planungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90
5 Ein Dekompositionsansatz zur Ablaufplanung bei Chargenproduktion 93
5.1 Dekompositionsidee.. 93
5.2 Problemdekomposition 95
5.2.1 Pramissen... 96
5.2.2 Berechnung von Produktionsdiagrammen . 99
5.2.3 Bestimmung einer optimalen Auftragsreihenfolge. 103
5.2.4 Berlicksichtigung alternativer Produktionswege . 104
5.3 Modelle zur Produktionsdiagramm-Berechnung 106
5.3.1 Modell nach Mockus und Reklaitis 107
5.3.2 Dynaplan-Modell nach PreBmar 114
5.3.3 ErgO-Modell ......... . · 119
5.3.3.1 Grundidee und Pramissen · 119
5.3.3.2 Grundmodell ...... . · 123
5.3.3.3 Erweiterung des Grundmodells 134
5.3.3.4 Bestimmung der R-Block-Strukturen 137
5.3.4 Berechnung von Verschiebungsmoglichkeiten . 137
5.4 Ein Evolutionarer Algorithmus zur Auftragsreihenfolgeoptimierung 141
5.4.1 Codierung. 142
5.4.2 Mutationen 143
5.4.3 Verfahrensablauf 144
5.4.4 Decodierung und FitneBfunktion . 145
5.4.5 Nachteile der gewahlten Modellierung . 149
6 Erweiterung des Dekompositionsansatzes 153
6.1 Erweiterung des ErgO-Modells . 153
6.1.1 Umpumpzeiten ..... 153
6.1.2 Sonderfalle bei der Abbildung von Zwischenlagern . 154
6.1.2.1 Mindestlagerbestande .. 155
6.1.2.2 Materialflu£..Restriktionen 155
XII Inhaltsverzeichnis
6.1.2.3 Zeitliche Restriktionen ..... 156
6.2 Erweiterung der Auftragsreihenfolgeoptimierung 158
6.2.1 Reihenfolgebeziehungen zwischen Auftragen 158
6.2.2 Priorisierung von Auftragen ..... . 160
6.2.3 Frtiheste Startzeitpunkte fUr Auftrage . 161
6.2.4 Reservierungszeiten ...... . 161
6.3 Integration der Materialbedarfsplanung 163
6.3.1 Mengenplanung bei Chargenproduktion . 164
6.3.2 Interdependenzen zwischen Mengen- und Ablaufplanung 167
6.3.3 Hierarchische Mengen- und P-Diagramm-Berechnung 170
6.3.3.1 ErgOMengen_Modell ...... . 171
6.3.3.2 Schranken fUr die ChargenzaW 183
6.3.4 Simultane Mengen- und P-Diagramm-Berechnung 186
6.4 Zusammenfassung des Dekompositionsansatzes . 195
7 Anwendungsbeispiele 197
7.1 Beispiel A . . . . . . . . . . . . 197
7.1.1 Problembeschreibung. . 197
7.1.2 Ergebnisdarstellung.. 199
7.1.2.1 P-Diagramm-Berechnung 199
7.1.2.2 Reihenfolgeoptimierung und P-Diagramm-Auswahl . 200
7.1.3 Bewertung der Ergebnisse . 202
7.2 Beispiel B . . . . . . . . . . . . 202
7.2.1 Problembeschreibung. . 203
7.2.2 Ergebnisdarstellung.. . 207
7.2.2.1 P-Diagramm-Berechnung . 207
7.2.2.2 Reihenfolgeoptimierung und P-Diagramm-Auswahl . 211
7.2.2.2.1 Planungsqualitat.............. . 211
7.2.2.2.2 Parametereinstellung und Laufzeitverhalten . 215
7.2.3 Bewertung der Ergebnisse . 218
7.3 Beispiel C .......... . .219
7.3.1 Problembeschreibung. . 220
7.3.2 Ergebnisdarstellung .. .222