Vorausschauende und reaktive Mehrzieloptimierung für die Produktionssteuerung einer Matrixproduktion

Ein immer vielfältigeres Produktionsprogramm mit unsicheren Stückzahlen macht es schwierig, Produktionssysteme wirtschaftlich zu betreiben. Verursacht die Produktindividualisierung unterschiedliche Bearbeitungszeiten an den Produktionsstationen, entstehen Taktzeitverluste. Schwankungen in den Anteilen der Produktvarianten können zudem zu dynamischen Engpässen führen. Das Konzept der Matrixproduktion verfolgt eine Flexibilisierung der Produktionsstruktur durch Auflösung der starren Verkettung, der Taktzeitbindung sowie durch den Einsatz redundanter Mehrzweckstationen.
... mehrDiese Maßnahmen erlauben es der Produktionssteuerung, die Reihenfolge der Arbeitsvorgänge innerhalb der Grenzen des Vorranggraphs zu variieren und die Route jedes Auftrags anzupassen.
Eine reaktive Mehrzielsteuerung ist erforderlich, um diese Freiheitsgrade zu nutzen und die unterschiedlichen Zielgrößen der Produktionssysteme zu erfüllen. Durch die Verwendung von Domänenwissen bei der Optimierung kann die Effizienz für spezifische Problem gesteigert werden. Aufgrund der Vielfalt der Produktionssysteme und Zielgrößen sollte sich die Produktionssteuerung jedoch selbstständig an den jeweiligen Anwendungsfall und die Zielgrößen anpassen können. Da die Dauern für Bearbeitungs-, Transport- und Rüstzeiten wichtige Eingangsgrößen für die Produktionssteuerung sind, wird eine Methode zur Ermittlung realistischer Werte benötigt.
Aufgrund der Komplexität der Steuerungsentscheidung sind Heuristiken am besten geeignet. Insbesondere die Monte Carlo Tree Search (MCTS) als iteratives Suchbaumverfahren hat gute Eigenschaften für den Einsatz als reaktive Produktionssteuerung. Bisher fehlten jedoch Ansätze, die den Anforderungen an die Steuerung einer Matrixproduktion gerecht werden. In dieser Arbeit wird eine reaktive Mehrzielsteuerung auf Basis von MCTS für die Produktionssteuerung einer Matrixproduktion unter Berücksichtigung von Rüst- und Transportvorgängen entwickelt. Zusätzlich wird eine auf lokaler Suche basierende Post-Optimierung in den MCTS Ablauf integriert. Um schnell eine hohe Lösungsqualität für unterschiedliche Zielsetzungen und Produktionssysteme zu erreichen, werden zwei Methoden zur selbstständigen Anpassung der Produktionssteuerung entwickelt. Um die Genauigkeit der in der Produktionssteuerung verwendeten Dauern zu gewährleisten, wird eine Methode zur Ableitung und Aktualisierung der zugrunde liegenden Verteilungen vorgestellt. Die detaillierten Auswertungen anhand verschiedener Anwendungsfälle zeigen, dass die Produktionssteuerung in der Lage ist, verschiedene Ziele erfolgreich zu optimieren. Die Methoden zur selbstständigen Anpassung führen zudem zu einem schnelleren Anstieg der Lösungsgüte. Der Vergleich mit optimalen Referenzlösungen und mit Benchmark-Problemen aus der Literatur belegt ebenfalls die hohe Lösungsgüte. Die Anwendung auf ein reales Praxisbeispiel demonstriert das Verhalten der Produktionssteuerung bei Ausfällen und Abweichungen. Diese Arbeit untersucht detailliert das Verhalten der Produktionssteuerung und den Einfluss der entwickelten Methoden auf die Erreichbarkeit der unterschiedlichen Zielgrößen, den Anstieg der Lösungsgüte und die erreichte absolute Lösungsgüte.

An increasingly diverse production program with uncertain quantities makes it difficult to operate production systems economically. If product individualization causes different processing times at the production stations, takt time losses occur. Fluctuations in the proportions of product variants can also lead to dynamic bottlenecks. The concept of matrix production pursues a flexibilization of the production structure by dissolving the rigid linkage, the takt time dependency and by using redundant multi-purpose stations. These measures allow production control to vary the sequence of operations within the limits of the precedence graph and to adjust the route of each job. ... mehrReactive multi-objective control is needed to take advantage of these degrees of freedom and to meet the varying objectives of production systems. By using domain knowledge in the optimization, efficiency can be increased for the specific problem. However, due to the diversity of production systems and target variables, production control should be able to adapt autonomously to the use case at hand. As the durations for cycle, transport and setup times are important input variables for scheduling, a method to determine realistic values is needed. Due to the complexity of the control decision, heuristics are most suitable. In particular, Monte Carlo Tree Search, as an iterative search tree method, has good properties for use as a reactive production control. However, so far, approaches to meet the requirements of controlling a matrix production have been lacking. In this thesis, a reactive multi-objective control based on MO-MCTS is developed for the production control of a matrix production considering setup and transport operations. In addition, a post optimization based on local search is integrated into the MO-MCTS flow. In order to quickly achieve high solution quality for different objectives and production systems, two methods are developed to autonomously adapt the production control. To ensure the accuracy of the durations used in scheduling, a method to derive and update the underlying distributions is presented. The detailed evaluations based on different use cases show that the production control is able to successfully optimize different objectives. The methods for autonomous adaptation also lead to a faster increase in solution quality. The comparison to optimal reference solutions and to benchmark problems from literature also prove the high solution quality. The application to a real-world scheduling scenario demonstrates the behavior of the production control regarding breakdowns and deviations. This work presents a comprehensive analysis of the production control with a thorough analysis of the influence factors on the attainability of objectives and the increase of solution quality.