Entwicklung und Anwendung eines stoffstrombasierten Optimierungswerkzeugs zur Ablaufplanung von Rückbauprojekten

Um das umweltpolitische Ziel des Übergangs zu einer Kreislaufwirtschaft zu erreichen, wird im Bausektor statt eines konventionellen Abbruchs ein selektiver Rückbau angestrebt. Dabei wird eine Vermischung der bei der Demontage anfallenden Stoffe so weit wie möglich vermieden. Zur Erhöhung der Recyclingquoten ist darüber hinaus eine Aufbereitung der Stoffe erforderlich. Die Aufbereitung und der Transport (zusammengefasst als Verarbeitung bezeichnet) sowie die Lagerung der Stoffe auf der Baustelle unterliegen Kapazitätsbeschränkungen. Werden diese stoffstrombezogenen Kapazitätsbeschränkungen bei der Durchführung eines Rückbauprojekts überschritten, muss der Rückbau pausiert oder kurzfristig umgeplant werden. ... mehrUm dies zu vermeiden, wird in dieser Arbeit ein Optimierungswerkzeug entwickelt, mit welchem die stoffstrombezogenen Kapazitätsbeschränkungen bei der Ablaufplanung eines Rückbauprojekts im Voraus berücksichtigt werden können. Damit soll Projektverantwortlichen die Erarbeitung eines realistischen, auf die Kapazitäten der Stoffverarbeitung abgestimmten Ablaufplans vereinfacht werden. Darüber hinaus soll das Optimierungswerkzeug Entscheidungen über die Beschaffung von Anlagen oder die Dimensionierung von Lagerflächen unterstützen. Der Rückbau kerntechnischer Anlagen stellt aufgrund der Projektkomplexität und der mit den Stoffströmen verbundenen hohen Sicherheitsanforderungen ein geeignetes Anwendungsbeispiel dar.

Das Optimierungswerkzeug baut auf quantitativen Modellen und Methoden aus dem Forschungszweig der Projektablaufplanung (engl. project scheduling), einem Teilgebiet des Operations Research, auf. Zunächst wird dazu ein sogenanntes Schedulingproblem formuliert, welches die Suche nach Startzeitpunkten für (Projekt-)Vorgänge beschreibt, sodass die Projektdauer minimiert wird. Die Einhaltung von Vorrangbeziehungen zwischen den Vorgängen, Kapazitäten erneuerbarer Ressourcen (z. B. Personal, Maschinen) sowie Verarbeitungs- und Lagerkapazitäten bilden die Restriktionen des Schedulingproblems. Die Berücksichtigung der Verarbeitungs- und Lagerkapazitäten, welche den Rückbau verzögern können, stellt eine wesentliche Erweiterung gegenüber existierenden Modellen dar. Insbesondere aufgrund der Lager kann bereits der Rechenaufwand zur Bestimmung einer zulässigen Lösung exponentiell ansteigen. Daher werden vier neuartige heuristische Lösungsverfahren entwickelt, welche jeweils für bestimmte Arten von Probleminstanzen geeignet sind. Die Constraint- und die lineare Programmierung werden ebenfalls zur Lösung des Problems eingesetzt. Umfangreiche Rechenexperimente mit Testinstanzen zeigen, dass die neu entwickelten Lösungsverfahren und die Constraintprogrammierung geeignet sind, um für stoffstromintensive Projekte innerhalb praktikabler Rechenzeiten hochwertige Ablaufpläne zu berechnen. Es werden Empfehlungen erarbeitet, unter welchen Umständen welches konkrete Verfahren zum Einsatz kommen sollte.

To achieve the environmental policy goal of transitioning to a circular economy, selective dismantling is preferred in the construction sector instead of conventional demolition. That is, mixing of materials released during dismantling is avoided as much as possible. In addition, conditioning the materials is necessary to increase recycling rates. Conditioning and transporting (jointly referred to as processing) as well as storing materials at the construction site are subject to capacity restrictions. If these material flow-related capacity restrictions are exceeded during the execution of a dismantling project, the dismantling must be interrupted or rescheduled at short notice. ... mehrTo avoid this, an optimization tool is developed in this thesis, which allows for taking into account material flow-related capacity restrictions during the planning phase of a dismantling project. This should assist project managers with finding a realistic schedule that is compatible with capacities in material processing. In addition, the optimization tool aims at supporting decisions on procuring machines or sizing storage spaces. Dismantling nuclear facilities is a suitable application case due to the project complexity and the high safety requirements associated with the material flows.

The optimization tool is based on quantitative models and methods from the research field of project scheduling, a subdiscipline of Operations Research. First, a scheduling problem is formulated, which can be summarized as finding start times for (project) activities so that the project makespan is minimized. The constraints of the scheduling problem state that precedence relations between activities, capacities of renewable resources (e.g., staff, machines) as well as processing and storage capacities must be satisfied. Taking into account processing and storage capacities, which can delay the dismantling project, is a significant enhancement over existing models. In particular, due to the storage capacities, the computational effort to find a feasible solution can already increase exponentially. Therefore, four novel heuristic solution methods are developed, each suitable for specific types of problem instances. Constraint and linear programming are also used to solve the problem. Extensive computational experiments with test instances show that the novel solution methods and constraint programming are suitable for computing high-quality schedules for material flow-intensive projects within reasonable computation times. Recommendations are given regarding which specific method should be used under which circumstances.