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Simultane LosgroBen- und Reihenfolgeplanung
fur kontinuierliche Produktionslinien
GABLER EDITION WISSENSCHAFT
Produktion und Logistik
Herausgegeben von
Professor Dr. Wolfgang Domschke,
Technische Universitat Darmstadt,
Professor Dr. Andreas Drexl,
Universitat Kiel,
Professor Dr. Bernhard Fleischmann,
Universitat Augsburg,
Professor Dr. Hans-Otto Gunther,
Technische Universitat Berlin,
Professor Dr. Christoph Haehling von lanzenauer,
Freie Universitat Berlin,
Professor Dr. Karllnderfurth,
Universitat Magdeburg,
Professor Dr. Klaus Neumann,
Universitat Karlsruhe,
Professor Dr. Christoph SchneeweH3,
Universitat Mannheim,
Professor Dr. Hartmut Stadtler,
Technische Universitat Darmstadt,
Professor Dr. Horst Tempelmeier,
Universitat zu Koln,
Professor Dr. Gerhard Wascher,
Universitat Halle-Wittenberg
Kontakt: Professor Dr. Hans-Otto Gunther, Technische Universitat Berlin,
FG BWL - Produktionsmanagement, Wilmersdorfer Str. 148, 10585 Berlin
Diese Reihe dient der Veroffentlichung neuer Forschungsergebnisse auf
den Gebieten der Produktion und Logistik. Aufgenommen werden vor
allem herausragende quantitativ orientierte Dissertationen und Habilita
tionsschriften. Die Publikationen vermitteln innovative Beitrage zur Losung
praktischer Anwendungsprobleme der Produktion und Logistik unter
Einsatz quantitativer Methoden und moderner Informationstechnologie.
Herbert Meyr
Simultane losgrof3en
und Reihenfolgeplanung
fOr kontinuierliche
Produktionslinien
Madelle und Methaden im Rahmen
des Supply Chain Management
Mit einem Geleitwort
von Prof. Dr. Bernhard Fleischmann
Deutscher Universitiits-Verlag
Die Deutsche Bibliothek -ClP-Einheitsaufnahme
Meyr, Herbert:
Simultane Losgrol3en- und Reihenfolgeplanung fur kontinuierliche Produktionslinien :
Modelle und Methoden im Rahmen des Supply-chain-Management
/ Herbert Meyr. Mit einem Geleilw. von Bernhard Fleischmann.
-Wiesbaden : Dt. Univ.-Verl. ; Wiesbaden : Gabler, 1999
(Gabler Edition Wissenschaft : Produktion und Logistik)
lugl.: Augsburg, Univ., Diss., 1999
Aile Rechte vorbehalten
© Betriebswirtschaftlicher Verlag Dr. Th. Gabler GmbH, Wiesbaden, und
Deutscher Universitats-Yerlag, Wiesbaden GmbH, 1999
Lektorat: Ute Wrasmann / Michael Glief3ner
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und daher von jedermann benutzl werden durften.
ISBN 978-3-8244-6999-4 ISBN 978-3-322-89140-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-89140-2
Geleitwort
Eine typische Situation fiir die Produktion von Konsumgtitern ist die Lagerfertigung
von Standardprodukten auf kontinuierlichen Produktionslinien, die meist automati
siert und hoch ausgelastet sind. Auf solchen Linien ist eine groBe Zahl von Produkt
Sorten nacheinander zu fertigen, wobei die Produktwechsel hohe Rtistkosten und
Rtistzeiten verursachen konnen. Besondere Anforderungen an die Produktionspla
nung und -steuerung (PPS) sind in diesem Fall die Beachtung der knapp en Linien
kapazitaten und eine Mehrprodukt-Losplanung. Dies sind aber gerade die Schwach
punkte des Standardkonzepts der PPS, wie es den herkommlichen Softwaresystemen
zugrunde liegt. Auch die tibliche Aufteilung der Planung in die Bildung von Pro
duktionsauftragen mit fest en Mengen, also LosgroBen, und die anschlieBende Einpla
nung dieser Auftrage bzgl. Reihenfolge und Startzeiten, das "Scheduling", wird der
betrachteten Situation nicht gerechtj hier ist vielmehr eine simultane Planung der
LosgroBen und der Losreihenfolge, also der Linienbelegung erforderlich. Diese Pro
blemstellung, die die klassischen Aufgaben der dynamischen LosgroBenplanung und
der Ablaufplanung vereint, ist seit etwa 1990 Gegenstand intensiver produktions
wirtschaftlicher Forschung, die eine Vielzahl von Modellen und Planungsverfahren
hervorgebracht hat. Andererseits ist diese Problemstellung ein wesentlicher Bau
stein in den sogenannten "Advanced Planning Systems", die sich im Rahmen des
Supply Chain Management gerade als Alternative zur PPS-Software in der Praxis
durchzusetzen beginnenj dort sind aber fiir die LosgroBen- und Reihenfolgeplanung
bisher, soweit ersichtlich, nur einfachste Heuristiken implementiert.
Die vorliegende Schrift stellt zu diesem hochaktuellen Problem ein Modell ("Ge
neral Lotsizing and Scheduling Problem ") vor, das aile bisherigen Modelle der Lite
ratur verallgemeinert, und entwickelt dazu verschiedene neuartige Planungsmetho
den. Durch geschickte Kombination moderner Metaheuristiken mit optimierenden
Bausteinen gelingt es dem Verfasser, die bisher bekannten Ansatze nicht nur in
der Realitatsnahe, sondern auch in der Losungsgtite und Rechengeschwindigkeit zu
tibertreffen, was er an Praxis-Beispielen eindrucksvoll demonstriert.
Der Verfasser begntigt sich aber nicht mit der Losung dieses schwierigen Pro
blems, sondern beginnt mit einer griindlichen Analyse der Stellung des Problems
innerhalb des Supply Chain Management und leitet daraus die Anforderungen an
Modelle und Planungsmethoden abo Die Analyse wird an einem Praxisfall verdeut
licht.
Durch die Verbindung von grtindlicher produktionswirtschaftlicher Analyse mit
der Entwicklung intelligenter mathematischer Verfahren leistet die Schrift einen ge
wichtigen Beitrag zum Supply Chain Management - dies ist "Advanced Planning"
im eigentlichen Sinne.
vi Geleitwort
Ich wiinsche der Schrift eine weite Verbreitung und Wirkung auf die Entwicklung
des Supply Chain Management in Theorie und Praxis.
Prof. Dr. Bernhard Fleischmann
Vorwort
Der AbschluB eines groBeren Projekts bietet immer AnlaB, ein Resiimee zu ziehen
und allen daran Beteiligten zu danken. Die vorliegende Arbeit wurde am Lehrstuhl
fUr Produktion und Logistik der Universitat Augsburg erstellt und im Dezember
1998 als Dissertation eingereicht.
Mein erster Dank gilt meinem Doktorvater, Herrn Prof. Dr. Bernhard Fleisch
mann, der mich dazu bewegt hat, eine wissenschaftliche Karriere einzuschlagen. Er
stand mir jederzeit mit seinem Rat und seiner langjahrigen Erfahrung zur Seite. Die
menschlich warme, ja beinahe familiare Atmosphare an seinem LehrstuhllieB zu je
dem Zeitpunkt unbeschwertes Arbeiten zu. Auf keinen Fall unerwahnt lassen mochte
ich auch Herrn Prof. Dr. Otto Opitz, der sich freundlicherweise bereit erklart hat
te, das Zweitgutachten zur Dissertation zu erstellen, sowie Herrn Prof. Dr. Giinter
Bamberg, der den Vorsitz der Priifungskommission iibernommen hat.
Weiterhin mochte ich mich bei meinen ehemaligen und derzeitigen Kollegen be
danken, deren namentliche Nennung hier zu weit fUhren wiirde. Sie standen immer
und fUr jedes Thema als aufmerksame (An)Sprechpartner zur VerfUgung.
Ich mochte diese Gelegenheit wahrnehmen, urn v.a. meinen Eltern den ihnen
gebiihrenden Dank auszusprechen fUr die Ausbildung und die liebevolle Fiirsorge,
die sie mir in all den Jahren zuteil werden lieBen.
Einen wesentlichen Anteil zur Entstehung dieser Arbeit trugen meine Frau Su
sanne und meine Tochter Anna beL Sie erinnerten mich nachdriicklich daran, daB es
wichtigere und schonere Dinge im Leben gibt, als Biicher zu lesen oder zu schreiben.
Dieses BewuBtsein erleichterte den AbschluB der Dissertation urn vieles.
AbschlieBend sei der Gesellschaft fUr Operations Research fUr die Ausschreibung
und der SAP AG, Walldorf, fUr die Stiftung des "GOR-Wissenschaftspreises fUr
anwendungsorientierte Arbeiten" bzw. den Jury-Mitgliedern fUr die Auswahl dieser
Dissertation gedankt.
Herbert Meyr
Inhaltsverzeichnis
Geleitwort v
Vorwort vii
Abbildungsverzeichnis xiii
Tabellenverzeichnis xv
Verzeichnis der Abkiirzungen xvii
1 Einleitung 1
1.1 Trends in Produktion und Logistik 1
1.2 Zielsetzung der Arbeit 3
1.3 Vorgehensweise . . . . . . . . . . . 5
2 Produktionsplanung und -steuerung bei FlieBfertigung 9
2.1 Produktionsplanung und -steuerung . . . . . . . . . . . 9
2.2 Grundkonzeption herkommlicher PPS-Systeme .... 17
2.3 Ein kapazitatsorientiertes hierarchisches PPS-Konzept . 20
2.3.1 Aggregierte Gesamtplanung . . . . . . . . . . . 21
2.3.2 Kapazitierte Hauptproduktionsprogrammplanung 23
2.3.3 Detaillierte LosgroBen- und Ressourceneinsatzplanung . 24
2.3.4 Segmentspezifische Feinplanung und -steuerung 25
2.4 FlieBiinienbelegung............ 25
2.4.1 Anlagenbezogene Charakteristika . . . . . . . . 26
2.4.2 Produktbezogene Charakteristika . . . . . . . . 28
2.4.3 Mittel- und kurzfristig-operative Planungsaufgaben 29
2.4.4 Ziel der Arbeit .................... 32
2.5 Hierarchische Produktionsplanung fiir die kontinuierliche FlieBpro-
duktion .... 32
2.5.1 Ebene 1 34
2.5.2 Ebene 2 37
2.5.3 Ebene 3 40
2.6 Ein Beispiel aus der elektrotechnischen Industrie . 41
2.6.1 Beschreibung der Produktion .. . 41
2.6.2 Hierarchische Produktionsplanung .... . 41
x Inhaltsverzeichnis
3 Losgroflen- und Reihenfolgeplanung 45
3.1 Strukturmerkmale von Modellen . . . 46
3.1.1 Technische Restriktionen . . . 46
3.1.2 Modellierungstechnische Annahmen . 49
3.1.3 Entscheidungsspielraum fiir die LosgroBe 53
3.1.4 Zielkriterien................ 54
3.2 Modelle und Verfahren in der Literatur . . . . . 55
3.2.1 Das Capacitated Lotsizing Problem (CLSP) 56
3.2.2 Das Discrete Lotsizing and Scheduling Problem (DLSP) 59
3.2.3 Das Continuous Setup Lotsizing Problem (CSLP) . . . . 63
3.2.4 Das Proportional Lotsizing and Scheduling Problem (PLSP) 66
3.2.5 Das Capacitated Lotsizing Problem with sequence dependent
Setup Costs (CLSD) 68
3.2.6 Weitere Varianten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71
4 Das General Lotsizing and Scheduling Problem (GLSP) 75
4.1 Motivation............. 75
4.2 Modellformulierung........ 78
4.3 Einordnung verwandter Modelle . 82
4.4 Kritik .... . . . . . . . . . . . 83
5 Das GLSP bei Erhaltung des Riistzustands (GLSPCS) 87
5.1 Modellformulierung und Grundlagen 88
5.2 Losungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2.1 Lokale Suche .............. 94
5.2.2 Modifikation von Threshold Accepting. 106
5.2.3 Implementation fiir das GLSPCS 107
5.3 Numerische Ergebnisse . . . . 118
5.3.1 Ergebnisdarstellung........ . 119
5.3.2 Testumfeld ............ . 121
5.3.3 Optimallosbare Probleminstanzen . 123
5.3.4 GroBere Probleminstanzen 124
5.3.5 Laufzeitvergleiche. 126
5.4 Kurzzusammenfassung . . . . . . 127
6 Das GLSP mit Riistzeiten (GLSPST) 129
6.1 Modellformulierung........... . 130
6.2 Losungsverfahren . . . . . . . . . . . . . 131
6.2.1 Erweiterung der Greedy-Verfahren . 132
6.2.2 Motivation fiir eine Verbesserung des bisherigen Losungsan-
satzes ............................... 132
6.2.3 Duale Reoptimierung mit Threshold Accepting ......... 135
6.2.4 Duale Reoptimierung in anderen Local-Search-Metastrategien 150
6.3 Numerische Ergebnisse . . . . .. ........ . 151
6.3.1 Probleme ohne Riistzeiten . . . . . . . . . . 152
6.3.2 Optimallosbare Probleme mit Riistzeiten 153
6.3.3 Praxisprobleme mit Riistzeiten ...... . 155
Inhaltsverzeichnis xi
6.4 Kurzzusammenfassung . . . . . . . . . . . . · 157
7 Das GLSP bei parallelen Linien (GLSPPL) 159
7.1 Modellformulierung............. 159
7.2 Losungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.2.1 Simultane Linienbelegungsplanung . 163
7.2.2 Hierarchische Dekomposition fUr groBe Probleminstanzen 175
7.3 Ergebnisse.............................. 181
7.3.1 Losungsqualitiit und Laufzeitverhalten fUr Einlinienprobleme . 181
7.3.2 Vorteilhaftigkeit einer simultanen Linienzuweisung . 185
7.3.3 Vergleich mit dem Verfahren von Kang, Malik et al. 187
7.4 Kurzzusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8 Zusammenfassung und Ausblick 203
8.1 Zusammenfassung. · 203
8.2 Ausblick .......... . · 205
A Klassifizierung der Literatur 209
B Ergebnisse zu den Ches- und Kang-Problemen 217
Literatur 225