Karlsruher Schriften zur Anthropomatik Band 21 Todor Dimitrov Permanente Optimierung dynamischer Probleme der Fertigungssteuerung unter Einbeziehung von Benutzerinteraktionen Todor Dimitrov Permanente Optimierung dynamischer Probleme der Fertigungssteuerung unter Einbeziehung von Benutzerinteraktionen Karlsruher Schriften zur Anthropomatik Band 21 Eine Übersicht aller bisher in dieser Schriftenreihe erschienenen Bände finden Sie am Ende des Buchs. Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Beyerer Permanente Optimierung dynamischer Probleme der Fertigungssteuerung unter Einbeziehung von Benutzerinteraktionen von Todor Dimitrov Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Fakultät für Informatik, 2015 Print on Demand 2015 ISSN 1863-6489 ISBN 978-3-7315-0426-9 DOI 10.5445/KSP/1000048541 This document – excluding the cover, pictures and graphs – is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 DE License (CC BY-SA 3.0 DE): http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/ The cover page is licensed under the Creative Commons Attribution-No Derivatives 3.0 DE License (CC BY-ND 3.0 DE): http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/de/ Impressum Karlsruher Institut für Technologie (KIT) KIT Scientific Publishing Straße am Forum 2 D-76131 Karlsruhe KIT Scientific Publishing is a registered trademark of Karlsruhe Institute of Technology. Reprint using the book cover is not allowed. www.ksp.kit.edu Permanente Optimierung dynamischer Probleme der Fertigungssteuerung unter Einbeziehung von Benutzerinteraktionen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften von der Fakultät für Informatik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) genehmigte Dissertation von Todor Dimitrov aus Sofia Tag der mündlichen Prüfung: 02.07.2015 Erster Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer Zweiter Gutachter: Prof. Dr. rer. pol. habil. Frank Schultmann Kurzfassung Feinplanung und Steuerung von Fertigungskapazitäten ist ein mannigfaltiges NP-hartes Problem, das die Forschungswelt seit 70 Jahren untersucht. Obwohl viele fortschrittliche Feinplanungsver- fahren aus dem Bereich Operations Research, der Künstlichen Intelligenz oder anderen Domänen entwickelt und angepasst wurden, finden sehr wenige und vor allem rudimentäre Feinpla- nungsverfahren Einsatz in der Industrie. In nahezu allen heutigen Fertigungssteuerungssystemen sind sie nur ein Hilfsmittel zur Erstellung eines Basisfertigungsplans, den der Planer manuell nachbearbeitet. Mit steigendem Automatisierungsgrad und dem Einsatz neuer Konzepte wie Industrie 4.0, Connected Manufac- turing und Industrial Internet wird eine selbstständige Beteili- gung des Feinplanungsverfahrens am täglichen Fertigungsablauf zunehmend wichtiger. Das parallele Agieren (mixed initiative) eines permanent laufenden Feinplanungsverfahrens und eines oder mehrerer Planer erfordert jedoch eine intelligente Berück- sichtigung der Benutzerinteraktionen seitens der Feinplanungs- verfahren und Nachvollziehbarkeit der Algorithmen seitens der Benutzer. In dieser Arbeit wurde ein Konzept für die Steuerung von perma- nent laufenden Feinplanungsverfahren entworfen, das diesen ein intelligentes Verhalten in der Fertigungssteuerung gegenüber einem Planer verschafft. Um ein Feinplanungsverfahren nachvoll- ziehbarer für einen Planer und reaktionsfähiger im täglichen Fertigungsablauf auszuführen, wurde es auf Fragmente des Ferti- gungsplans mit Optimierungspotential und -bedarf gerichtet. Um solche Fragmente im Fertigungsplan zu erkennen, wurden klassi- sche Bewertungskennzahlen in der Feinplanung verbessert, um die Relevanz zur aktuellen Fertigungssituation mit zu betrachten. Kurzfassung ii Für die vollwertige Kollaboration mit den Planern wird das Fein- planungsverfahren auf Einhaltung der Benutzerinteraktionen und Sicherung der Planstabilität ausgelegt, um die Planer nicht zu verunsichern bzw. den Überblick über den auszuführenden Ferti- gungsplan nicht zu gefährden. Umfangreiche Veränderungen im Fertigungsplan oder Verletzung von Benutzerinteraktionen werden nur bei entsprechend großen Verbesserungen zugelassen. Für die Steigerung der Performanz und die Verwendung der verfügbaren Rechenleistung wurde ein Ansatz für die Ausführung und Koordination von parallelen Instanzen von Feinplanungsver- fahren auf demselben Fertigungsplan erarbeitet. Diese Verfah- rensinstanzen optimieren disjunkte Fragmente des Fertigungs- plans unabhängig voneinander und ohne eine übergeordnete Kontrollinstanz. Da sie sich auf optimierungsbedürftige Fragmen- te konzentrieren, erhalten sie ein nachvollziehbares menschen- ähnliches Verhalten. Für die Validierung des Konzepts wurden die entwickelten Ansät- ze in einer performanten Feinplanungsplattform zusammenge- fasst. Ein genetischer Algorithmus wurde so modifiziert, dass er Optimierungshinweise der Bewertungskomponente verarbeitet. Als Ergebnis wurde eine hochwertige Zusammenarbeit zwischen mehreren permanent laufenden Verfahrensinstanzen eines gene- tischen Algorithmus und menschlichen Benutzern erreicht. Gleichzeitig stiegen die Performanz und die Lösungsqualität des genetischen Algorithmus deutlich. Der Nachweis erfolgte in einer dynamischen Simulationsumgebung mit Daten von zwei produ- zierenden Betrieben. Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner achtjährigen Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Themenfeld Ferti- gungssteuerung am Fraunhofer-Institut für Optronik, System- technik und Bildauswertung (IOSB). Mein Dank für die hilfreiche Unterstützung bei der Wegweisung und Erstellung meiner Doktorarbeit geht vor allem an meinen Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Jürgen Beyerer. Herrn Prof. Dr. rer. pol. Frank Schultmann danke ich für die Übernahme des Korreferats und die Betreuung der Arbeit bis zum Schluss. Ich danke allen Kollegen der Abteilung „Informationsmanagement und Leittechnik“ sowie Herrn Dr. -Ing. Olaf Sauer für die wertvolle Zusammenarbeit in zahlreichen Projekten. Mein besonderer Dank geht an Herrn Dr.-Ing. Michael Baumann, der mir als kritischer Sparringspartner für die zahlreichen Dis- kussionen stets zur Verfügung stand und mit seiner jahrelangen Erfahrung in der Fertigungssteuerung half. Frau Yvonne Omelianenko und Herrn Dr. Andreas Braun danke ich für die sorgfältige Korrektur meiner Dissertation herzlich. Nicht zuletzt danke ich meiner Familie und meinen engen Freun- den für deren ununterbrochene geistige Unterstützung. Karlsruhe, im Juli 2015 Todor Dimitrov Inhaltsverzeichnis Kurzfassung............................................................................................................... i Vorwort .................................................................................................................... iii Abbildungsverzeichnis ....................................................................................... ix Tabellenverzeichnis ...........................................................................................xv Abkürzungsverzeichnis ................................................................................. xvii Nomenklatur ........................................................................................................ xxi 1 Einleitung ........................................................................................................ 1 1.1 Ausgangsituation ........................................................................... 1 1.2 Motivation ........................................................................................ 3 1.3 Zielsetzung und eigene Beiträge............................................. 4 1.4 Aufbau der Arbeit .......................................................................... 6 2 Stand der Technik ....................................................................................... 9 2.1 Der Begriff „Fertigungssteuerung“ ........................................ 9 2.1.1 Evolution des Begriffs und Einordnung in der betrieblichen Produktion........................................................ 10 2.1.2 Bedeutung für die Unternehmen ......................................... 18 2.2 Das Shop Scheduling Problem .............................................. 20 2.2.1 Mathematische Definition ...................................................... 20 2.2.2 Arten von Shop Scheduling Problemen ............................ 23 2.2.3 Optimierungsziele ...................................................................... 27 2.2.4 Optimalität .................................................................................... 33 2.3 Verfahren für Shop Scheduling Probleme ....................... 35 2.3.1 Überblick der Verfahren ......................................................... 36 2.3.2 Optimale Konstruktionsverfahren (Exakte Verfahren) .................................................................... 38 2.3.3 Heuristische Konstruktionsverfahren .............................. 39 2.3.4 Heuristische Verbesserungsverfahren ............................. 43 Inhaltsverzeichnis vi 2.3.5 Metaheuristische Verbesserungsverfahren .................... 44 2.3.6 Hybride Verfahren ..................................................................... 50 2.3.7 Vergleichbarkeit von Verfahren........................................... 52 2.4 Das dynamische Shop Scheduling Problem .................... 53 2.4.1 Rescheduling Strategien .......................................................... 56 2.4.2 Kontinuierliche Anpassung .................................................... 57 2.4.3 Anwendung von populationsbasierten Verbesserungsverfahren ......................................................... 59 2.4.4 Quantifizierung der Planstabilität....................................... 60 2.5 Kollaboration zwischen Verfahren und Planern .......... 62 2.5.1 Der Mensch im Planungsprozess ......................................... 63 2.5.2 Entscheidungsunterstützung in der Planung................. 65 2.5.3 Wissensbasierte Planung ........................................................ 67 2.5.4 Mixed-Initiative Mensch-Maschine Feinplanung ......... 68 2.6 Planung in der Unternehmens-IT........................................ 70 2.6.1 Fertigungsfeinplanung in Softwaresystemen ................ 71 2.6.2 Eingesetzte Feinplanungsverfahren in der Praxis ....... 72 2.6.3 Hindernisse für den Einsatz von Feinplanungssystemen ............................................................ 74 3 Analyse und Anforderungsermittlung ............................................ 77 3.1 Feinplanungsverfahren in der Fertigungssteuerung heute .................................................... 77 3.2 Die gewünschte Rolle der Feinplanungsverfahren in der Fertigungssteuerung ................................................... 83 3.3 Anforderungen an ein fortschrittliches Feinplanungssystem ................................................................. 88 3.4 Technische Anforderungen .................................................... 90 4 Ableitung eines Konzepts für eine Feinplanungsplattform ... 93 4.1 Gesamtbild der Feinplanungsplattform ........................... 93 4.2 Aspekte der Bewertungskomponenten ............................ 95 4.2.1 Integration des aktuellen Zeitpunkts ................................ 96 4.2.2 Quantifizierung der Planstabilität.................................... 101 Inhaltsverzeichnis vii 4.2.3 Akkumulierte Planstabilität (Shop Floor Nervousness) ................................................... 103 4.2.4 Einhaltung von Benutzerinteraktionen ......................... 105 4.2.5 Bewertung von Fragmenten des Fertigungsplans .... 110 4.2.6 Bewertungskriterien für den Vergleich von Fragmenten ....................................................................... 113 4.3 Vergleich von Fertigungsplänen ....................................... 116 4.4 Unterstützung der Feinplanungsverfahren bei der Lösungssuche ............................................................ 118 4.4.1 Hinweise auf Fragmente mit Optimierungspotential .......................................................... 119 4.4.2 Dynamische Dekomposition des Fertigungsplans ... 122 4.4.3 Parallele Ausführung von Verfahrensinstanzen ........ 124 4.5 Koordinierung gleichzeitiger Aktionen von Benutzern und Algorithmen ............................................... 126 4.5.1 Verarbeitung von externen Ereignissen ....................... 127 4.5.2 Koordinierung mehrerer Verfahrensinstanzen ......... 129 5 Die Feinplanungsplattform im Hinblick auf Performanz und Skalierbarkeit ................................................................................. 133 5.1 Die Feinplanungsplattform in einer dynamischen Umgebung ...................................................... 134 5.2 Inkrementell berechnete Bewertung des Fertigungsplans ............................................................... 136 5.2.1 Inkrementell berechnete Kennzahlen ............................ 137 5.2.2 Performante Fragmentierungen....................................... 139 5.2.3 Der aktuelle Zeitpunkt in der inkrementellen Bewertung .................................................................................. 141 5.2.4 Ableitung der Relevanzkurven .......................................... 142 5.3 Vergleichsfunktion für Fertigungspläne und Übernahme von neuen Lösungen .................................... 146 5.4 Optimierungshinweise für die Unterstützung der Feinplanungsverfahren ................................................ 150 5.4.1 Extraktion von Optimierungshinweisen ....................... 150 Inhaltsverzeichnis viii 5.4.2 Markierung von Fragmenten ............................................. 152 5.5 Anbindung eines von Optimierungshinweisen unterstützten Feinplanungsverfahrens ......................... 155 5.5.1 Auswahl eines geeigneten Feinplanungsverfahrens 155 5.5.2 Anbindung des ausgewählten genetischen Algorithmus an die Feinplanungsplattform ................ 158 5.5.3 Operatoren für „genetisches Engineering“ .................. 163 5.5.4 Anpassung des Genetischen Algorithmus für eine kontinuierliche Optimierung .............................................. 166 6 Anwendung und Ergebnisse ............................................................. 169 6.1 Simulationsumgebung........................................................... 169 6.2 Implementierung der Feinplanungsplattform ........... 175 6.3 Beschreibung der untersuchten Anwendungsfälle .. 179 6.4 Vorbereitung der Simulationsläufe ................................. 182 6.4.1 Simulationsumgebung und Kalibrierung ...................... 182 6.4.2 Evaluierungsplan ..................................................................... 186 6.4.3 Konstruktion der dynamischen Problemstellungen 189 6.5 Evaluierung des Anwendungsfalls Batteriehersteller .................................................................... 191 6.5.1 Ansätze zur Performanzsteigerung ................................. 192 6.5.2 Kollaborationsansätze ........................................................... 197 6.6 Evaluierung des Anwendungsfalls Wafer-Fertiger .. 204 6.6.1 Ansätze zur Performanzsteigerung ................................. 204 6.6.2 Kollaborationsansätze ........................................................... 214 6.7 Abschließende Bewertung .................................................. 221 7 Zusammenfassung und Ausblick .................................................... 225 7.1 Zusammenfassung der Beiträge und Ergebnisse ...... 225 7.2 Ausblick ....................................................................................... 227 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 229 Eigene Veröffentlichungen .......................................................................... 261 ix Abbildungsverzeichnis Abbildung 1.1: Aufbau der Arbeit ............................................................... 7 Abbildung 2.1: Terminregelung innerhalb der Fertigungssteuerung [Bran67] .................................. 10 Abbildung 2.2: Aachener PPS Modell ..................................................... 11 Abbildung 2.3: Das Y-Modell [Sche87]................................................... 12 Abbildung 2.4: Das Ebenenmodell von PRM zusammengefasst in [Ansi13a] ........................................................................ 13 Abbildung 2.5: Die Automatisierungspyramide ................................ 14 Abbildung 2.6: Feinplanung und Feinsteuerung [Vdi07, S.17] ... 15 Abbildung 2.7: Modell des operativen Produktions- managements [Ansi13a] ............................................... 16 Abbildung 2.8: Aktivitätsdiagramm des „Production Operations Management“ [Ansi13a] ............................................... 17 Abbildung 2.9: Veränderung der Informationsarchitektur in Produktionsunternehmen [VKBW09] .................... 18 Abbildung 2.10: Evolution relevanter Aspekte der Fertigungssteuerung .............................................. 19 Abbildung 2.11: Beispiel eines Fertigungsplans .................................. 22 Abbildung 2.12: Arten von Fertigungsplänen nach [Pine14, S.25] ..................................................................... 23 Abbildung 2.13: Der disjunktive Graph des Fertigungsproblems aus Abbildung 2.11 .......................................................... 26 Abbildung 2.14: Beispiel einer Pareto-Front ......................................... 32 Abbildung 2.15: Komplexitätsklassediagramm .................................... 34 Abbildung 2.16: Verfahren für Shop Scheduling Probleme ............ 37 Abbildung 2.17: Giffler-Thompson Algorithmus.................................. 41 Abbildung 2.18: Ablaufschema des genetischen Algorithmus ....... 46 Abbildung 2.19: Beispiel einer Mutation innerhalb des GA und ihre Auswirkung auf den Fertigungsplan ............. 48 Abbildung 2.20: Beispiel einer Kreuzung innerhalb des GA ........... 49 Abbildungsverzeichnis x Abbildung 2.21: Beispielhafte Ereignisse in einer laufenden Fertigung ........................................................ 54 Abbildung 2.22: Gegenüberstellung der unterschiedlichen Ansätze für dynamische Shop Scheduling Probleme .............................................................................. 55 Abbildung 2.23: Abstand zwischen Operationen auf 𝜇 2 der Fertigungspläne aus Abbildung 2.19 mit Gewichtung abhängig von 𝑡 𝑜 ....................................... 61 Abbildung 2.24: Visuelle Komponenten zur Darstellung des Fertigungsplans: Gantt Diagramm, stetige und diskrete Intervall-Gebirge ............................................ 66 Abbildung 3.1: Grobe Abbildung und Einordnung der Fertigungssteuerung nach dem ISA-95 Standard [Ansi13a] .......................................... 78 Abbildung 3.2: Anwendungsfälle in bestehenden Fertigungssteuerungssystemen ................................ 79 Abbildung 3.3: Fertigungsfeinplanung mittels Planungs- verfahren (Anwendungsfall H1) ............................... 80 Abbildung 3.4: Anwendungsfall H2 ......................................................... 82 Abbildung 3.5: Reaktion auf Störung / Eilauftrag (Anwendungsfall H3) ..................................................... 83 Abbildung 3.6: Vernetzung in der Unternehmens-IT nach Industrie 4.0 ............................................................ 84 Abbildung 3.7: Anwendungsfälle in zukünftigen Fertigungssteuerungssystemen ................................ 85 Abbildung 3.8: Anwendungsfall F1 .......................................................... 86 Abbildung 3.9: Anwendungsfall F2 .......................................................... 87 Abbildung 3.10: Anwendungsfall F3 .......................................................... 87 Abbildung 4.1: Grobe Übersicht der Feinplanungsplattform ...... 95 Abbildung 4.2: Der Fertigungsplan aus Sicht des aktuellen Zeitpunkts 𝑡 𝑜 nach [DiBa12] ....................................... 97 Abbildung 4.3: Gewichtung der Verspätung nach klassischer und zeitbehafteter Art [DiBa12]................................ 99