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Forschung und Praxis
Band 220
Berichte aus dem
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik
und Automatisierung (IPA), Stuttgart,
Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft
und Organisation (lAO), Stuttgart,
Institut fur Industrie"e Fertigung und
Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart und
Institut fur Arbeitswissenschaft und
Technologiemanagement, Universitat Stuttgart
Herausgeber: H. J. Warnecke und H.-J. Bullinger
Jorg Schulte
Werkstattsteuerung
mit genetischen Algorithmen
und simulativer Bewertung
Mit 55 Abbildungen und 7 Tabellen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona
Budapest 1995
Dipl.-Ing., Jorg Schulte
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. h. H. J. Warnecke
o. Professor an der Universitat Stuttgart
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. H.-J. Bullinger
o. Professor an der Universitat Stuttgart
Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart
D 93
ISBN-13: 978-3-540-60281-1 e-ISBN-13: 978-3-642-47964-9
001: 10.1007/978-3-642-47964-9
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© Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1995.
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SPIN: 10511639 62/3020-6543210
Geleitwort der Herausgeber
Uber den Erfolg und das Bestehen von Unternehmen in einer markt
wirtschaftlichen Ordnung entscheidet letztendlich der Absatzmarkt.
Das bedeutet, mbglichst fruhzeitig absatzmarktorientierte Anforde
rungen sowie deren Veranderungen zu erkennen und darauf zu reagie
reno
Neue Technologien und Werkstoffe ermbglichen neue Produkte und er
bffnen neue Markte. Die neuen Produktions- und Informationstechno
logien verwandeln signifikant und nachhaltig unsere industrielle
Arbeitswelt. Politische und gesellschaftliche Veranderungen signa
lisieren und begleiten dabei einen Wertewandel, der auch in unse
ren Industriebetrieben deutlichen Niederschlag findet.
Die Aufgaben des Produktionsmanagements sind vielfaltiger und an
spruchsvoller geworden. Die Integration des europaischen Marktes,
die Globalisierung vieler Industrien, die zunehmende Innovations
geschwindigkeit, die Entwicklung zur Freizeitgesellschaft und die
ubergreifenden bkologischen und sozialen Probleme, zu deren Lbsung
die Wirtschaft ihren Beitrag leisten muB, erfordern von den Fuh
rungskraften erweiterte Perspektiven und Antworten, die uber den
Fokus traditionellen Produktionsmanagements deutlich hinausgehen.
Neue Formen der Arbeitsorganisation im indirekten und direkten
Bereich sind heute schon feste Bestandteile innovativer Unterneh
men. Die Entkopplung der Arbeitszeit von der Betriebszeit, inte
grierte Planungsansatze sowie der Aufbau dezentraler Strukturen
sind nur einige der Konzepte, die die aktuellen Entwicklungsrich
tungen kennzeichnen. Erfreulich ist der Trend, immer mehr den Men
schen in den Mittelpunkt der Arbeitsgestaltung zu stellen - die
traditionell eher technokratisch akzentuierten Ansatze weichen ei
ner starkeren Human- und Organisationsorientierung. Qualifizie
rungsprogramme, Training und andere Formen der Mitarbeiterent
wicklung gewinnen als Differenzierungsmerkmal und als Zukunftsin
vestition in Human Recources an strategischer Bedeutung.
Von wissenschaftlicher Seite muB dieses Bemuhen durch die Ent
wicklung von Methoden und Vorgehensweisen zur systematischen
Analyse und Verbesserung des Systems Produktionsbetrieb ein
schlieBlich der erforderlichen Dienstleistungsfunktionen unter
stutzt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert, in enger Zusam
menarbeit mit anderen Disziplinen, z.B. der Informatik, der Wirt
schaftswissenschaften und der Arbeitswissenschaft, Lbsungen zu er
arbeiten, die den veranderten Randbedingungen Rechnung tragen.
Die von den Herausgebern geleiteten Institute, das
- Institut fur Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der
Universitat Stuttgart (IFF),
- Institut fur Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (IAT)
- Fraunhofer-Institut fur Produktionstechnik und Automatisierung
(IPA) ,
- Fraunhofer-Institut fur Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO)
arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an
den oben aufgezeigten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der
Labors und die Qualifikation der Mitarbeiter haben bereits in der
Vergangenheit zu Forschungsergebnissen gefuhrt, die fur die Praxis
von groBem Wert waren. Zur Umsetzung gewonnener Erkenntnisse wird
die Schriftenreihe "IPA-IAO - Forschung und Praxis" herausgegeben.
Der vorliegende Band setzt diese Reihe fort. Eine Ubersicht uber
bisher erschienene Titel wird am SchluB dieses Buches gegeben.
Dem Verfasser sei fur die geleistete Arbeit gedankt, dem Springer
Verlag fur die Aufnahme dieser Schriftenreihe in seine Angebots
palette und der Druckerei fur saubere und zugige Ausfuhrung. Mage
das Buch von der Fachwelt gut aufgenommen werden.
H.J. Warnecke H.-J. Bullinger
Vorwort
Die vorliegende Arbeit enlstand wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am
Fraunhofer-Institut fUr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart.
Dem geschaftsfUhrenden Direktor des Instituts fUr Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der
Universitat Stuttgart und Prasidenten der Fraunhofer-Gesellschaft, Herrn Professor Dr. h.c.
mull. Dr.-Ing. H.-J. Warnecke gilt mein besonderer Dank fiir die Anregung und stete
Forderung der Arbeit.
Herrn Professor Dr.-Ing. A. Storr, dem stellvertretenden Direktor des Instituts fUr
Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen der Universitat Stuttgart, danke ich fiir die
sorgfaltige Durchsicht der Arbeit und die wertvollen Hinweise.
Herrn Professor Dr.-Ing. H. Kiihnle und Herrn Dr.-Ing. M.Sc. B.-D. Becker danke ich fUr die
fachlichen Gesprache und Ratschlage.
AuBerdem mochte ich allen Mitarbeitern des IPA und der Firma AESOP danken, die rnir bei der
Umsetzung und Realisierung der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Konzepte behilflich
waren.
Meiner Familie danke ich fiir die groBartige moralische Unterstiitzung und die Zeit, die sie mir
fUr die Abfassung der Arbeit gegeben haben.
Stuttgart, Mai 1995
J org Schulte
Inhaltsverzeichnis Seite
Einleitung ............................................................................................. 13
2 Aufgaben im Bereich der Werkstattsteuerung .................................................... 16
3 Abgrenzung der Werkstattsteuerung und Bewertung vorhandener Verfahren ................ 19
3.1 Dispositiver Teil der Werkstattsteuerung .................................................. 22
3.2 DurchfUhrender Teil der Werkstattsteuerung .............................................. 23
3.3 Kriterien zur Bewertung von Werkstattsteuerungsverfahren ............................ 25
3.3.1 Modellierungssprache ............................................................. 25
3.3.2 Optimierungsverfahren ............................................................ 27
3.4 Eintei1ung von Werkstattsteuerungsverfahren ............................................ 28
3.4.1 Optimalplanungsverfahren ........................................................ 30
3.4.2 Naherungsverfahren ............................................................... 31
3.4.2.1 Spezia1heuristiken ...................................................... 31
3.4.2.2 Prioritatsrege1n ......................................................... 32
3.4.2.3 Expertensystembasierte Verfahren ................................... 32
3.4.2.4 Agentenbasierte Verfahren ............................................ 33
3.4.2.5 Dekompositionsverfahren der ganzzahligen Optimierung ......... 34
3.4.2.6 Simu1ationsbasierte Verfahren ........................................ 34
3.4.2.7 Genetische A1gorithrnen und Evolutionsstrategien ................. 36
3.4.3 Zusamrnenfassung der Bewertungsergebnisse ................................. 38
4 Untersuchung von Simulationsverfahren und genetischen A1gorithmen ..................... .40
4.1 Simulationsbasierte Optimierungsverfahren .............................................. .40
4.1.1 Modellierungselemente und -verfahren ......................................... .42
4.1.2 Abarbeitungsstrategien fiir das Modell ......................................... .46
4.2 Genetische Algorithmen .................................................................... .47
4.2.1 Codierung der Optimierungsaufgaben .......................................... .48
4.2.2 Lbsungsauswahl und genetische Operatoren ................................... 51
4.3 Genetische Algorithmen mit simulativer Bewertung ..................................... 55
5 Zusamrnenfassende Bewertung vorhandener Verfahren und Zielsetzung der Arbeit ........5 7
6 Anwendungsorientierte Modellierung und flexible Optimierung ............................... 59
6.1 Genetische Algorithmen zur Lbsung von Werkstattsteuerungsaufgaben ..............5 9
6.1.1 Basisaufgaben ...................................................................... 61
6.1.2 Datenstrukturen fUr Basisaufgaben ..............................................6 4
6.1.3 Filter auf Datenbestande und Umsetzung von Datenstrukturen ............... 66
6.1.4 Kombination von Basisaufgaben ................................................. 67
6.1.5 Auswahl von Lbsungen ...........................................................6 8
6.1.6 Genetische Operatoren ............................................................. 69
6.1.7 DurchfUhrbarkeit der LbsungsvorschIage .......................................7 1
6.2 Beschreibungssprache zur anwendungsorientierten ModeUierung von
Fertigungsprozessen .........................................................................7 2
6.2.1 Einordnung der verrichtungsorientierten Sprachelemente ......................7 3
6.2.1.1 Sichten auf Produktionssysteme .....................................7 4
6.2.1.2 Grobstruktur der Bausteintypen ......................................7 6
6.2.2 Marken ..............................................................................7 7
- 10 -
6.2.3 Systembausteine ....................................................................7 8
6.2.3.1 Synchronisationspuffer. ...............................................8 1
6.2.3.2 Operation ................................................................8 2
6.2.3.3 Operationsvarianten ....................................................8 5
6.2.4 Bausteinverkniipfungen ........................................................... 86
6.2.5 Zuordnung der Lebenspliine ......................................................8 8
6.2.6 Abbildung von Steuerungsfunktionalitaten .....................................9 0
6.2.6.1 N achrichtenaustausch .... , .................................. , .......... 92
6.2.6.2 Synchronisationspuffer. ............................................... 93
6.2.6.3 Vorbereitungsphase von Operationen ................................ 94
6.2.6.4 Durchfiihrnngsphase von Operationen ..............................9 9
6.2.6.5 Nachbereitungsphase von Operationen ............................ 100
6.2.6.6 Modellzeit und Abarbeitung der Ereignisse ....................... 102
6.2.7 Systemgrenzelemente ............................................................ 105
6.2.8 Lebensplanerweiterungen ....................................................... 106
6.3 Integration der Sichten Funktion, Information und Gegenstand ...................... 108
6.4 Integration des Optimierungsmoduls mit dem Simulationssystem ................... 111
6.4.1 Technische Integration ........................................................... 111
6.4.2 Logische Integration ............................................................. 114
7 Beispiele zum Einsatz des beschriebenen Verfahrens ......................................... 117
7.1 Planung eines Werkstattproduktionsprograrnms ....................................... 117
7.1.1 Modellierung ...................................................................... 117
7.1.2 Codierung ......................................................................... 118
7.1.3 Optimierung ....................................................................... 119
7.2 Ressourcenzuordnungs-und Reihenfolgeoptimierung in einer
Getriebefertigung ........................................................................... 121
7 .2.1 Modellierung ...................................................................... 123
7.2.2 Codierung ......................................................................... 125
7.2.3 Optimierung ....................................................................... 126
7.3 Reihenfolgeoptirnierung im Warmwalzwerk ............................................ 127
7.3.1 Modellierung ...................................................................... 128
7.3.2 Codierung ......................................................................... 130
7.3.3 Optimierung ....................................................................... 131
8 Zusammenfassung und Ausblick ................................................................ 133
9 Schrifttumsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 135
Anhang A Programmablaufplane .................................................................... 151
Anhang B Gemischt-ganzzahliges Modell zur Ressourcenzuordnung in einer
Getriebefertigung ......................................................................... 157
Anhang C Beispiele zur Benutzeroberflache des realisierten Verfahrens ....................... 161
Verzeichnis der Abkiirzungen und Formelzeichen
Abktirzung. Bedeutung
Zeichen
8(H) definierende Lange des Schemas H
c Umgebung einer Parameterkonfiguration
ASCII Binare Standardcodierung von Zeichen ("American standard code of
information interchange")
'B Bildmenge
BGD bestandsgeregelte DurchfluBsteuerung
BOA belastungsorientierte Auftragsfreigabe
CASE computer-aided software engineering
'lJ Definitionsmenge
ES Evolutionsstrategien
f(i), f(i) Gtite (FitneBwert) einer Losung i, bzw. einer Losung mit
Parameterkonfiguration i
~}()J7 GesamtfitneB einer Population
i durchschnittliche FitneB einer Population
pop
FSZ Fortschrittszahlen
G Gruppenoperator (kennzeichnet Informationen, die nicht getrennt werden
dUrfen)
genetische Algorithmen
GroBe eines Problernraums
Gesamtlange des Vektors (Chromosom)
m Anzahl Elemente einer Menge
m(H,t) Anzahl Schemata vom Typ H zum Zeitpunkt (Generation) t
M Wertebereich der freien Parameter
Mi i-te Maschine
MRP Material Requirements Planning
MRPII Manufacturing Resource Planning
n Anzahl Elemente einer Menge
NC Numerical Control
NFS Network File Systems
o(H) Ordnung des Schemas (entspricht der Anzahl der definierten Allele)
0pi i-te Operation eines Arbeitsplans
OPT Optimized Production Technology
- 12 -
OX order cross-over
PMX partially matched cross-over
PPS Produktionsplanung und -steuerung
Pc Wahrscheinlichkeit, daB der Cross-over-Operator eingesetzt wird
Pili Wahrscheinlichkeit, daB der Mutationsoperator eingesetzt wird
P (i) Selektionswal)rscheiJ1lichkeit filr Uisung i
seLekt
Q Anzah! Marken
9\ Menge der reellen Zah!en
Si i-ter Riistzustand und Werkstiickorientierung einer Ressource
SQL Strukturierte Abfragesprache filr relationale Datenbanken ("structured query
language")
TCPIIP Transmission Control Protocol/Internet Protocol
WSS_. Werkstattsteuerung
- x
X, x, X Einstellungen derfreien Parameter: = (x" ... ,xn) EM,
x': optimale Konfiguration der freien Parameter (globales Optimum)
i:
sub-optimale Konfiguration der freien Parameter (lokales Optimum)
'<I All-Quantor
3 Existenz-Quantor
Element einer Menge
Menge von Objekten einer Klasse im gleichen steuerungsrelevanten Zustand
Menge von Objekten einer Klasse im gleichen steuerungsrelevanten
Zustandsiibergang
