Simultane Dimensionierung und hierarchisch-räumliche Strukturierung von Werkstückflusssystemen mittels genetischer Algorithmen

Die Fertigungssegmentierung ist ein wichtiges strategisches Planungsproblem, dessen Lösung einen relativ langfristigen Einfluss auf die Kosten und somit auf die Wettbewerbsfähigkeit eines produzierenden Unternehmens hat. Das Problem der Planung von Produktionssystemen besteht im Wesentlichen aus der Ermittlung des Ressourcenbedarfs (Dimensionierung: Art und Anzahl der benötigten Maschinen, Anlagen, Puffer, Werker,.), der logischen Zusammenfassung dieser Ressourcen nach fertigungsorganisatorischen Aspekten zu hierarchischen Ordnungsebenen (hierarchische Strukturierung) sowie deren topologisch optimale Anordnung innerhalb der Ordnungsebenen (räumliche Strukturierung) unter Beachtung einer Vielzahl von Nebenbedingungen. Bisher wurden die Phasen Dimensionierung und Strukturierung separat in einem sequenziellen oder iterativen Optimierungsprozess betrachtet. Diese Aufteilung erscheint in Anbetracht der Komplexität des zu Grunde liegenden Optimierungsproblems notwendig zu sein, ermöglicht allerdings nur das Auffinden suboptimaler Fertigungsstrukturen. Ziel dieser Arbeit ist die Schaffung kostengünstigerer Produktionssystemstrukturen für gegebene Produktionsprogramme auf Basis einer simultanen Dimensionierung und hierarchisch-räumlichen Strukturierung der die Produktionssysteme dominierenden Werkstückflusssysteme mittels Genetischer Algorithmen unter Berücksichtigung der für die Planung verfügbaren Zeit. Dafür werden die bisher einzeln untersuchten Partialprobleme als einheitliches, mengentheoretisches Optimierungsproblem modelliert und das so formulierte Planungsmodell den bisherigeren Strukturierungsmethoden gegenübergestellt. Zur Optimierung dieses Modells wird ein speziell angepasster Genetischer Algorithmus vorgestellt, welcher die Dimension der Elemente durch Strukturevolution auf dynamischen Chromosomen optimiert sowie über eine heuristische Reparaturfunktion zur Transformation von unzulässigen Individuen in gültige Strukturlösungen verfügt. Diese Funktion berechnet für den Fall des Scheiterns der Reparaturheuristik zusätzlich einen Strafenfaktor für die Fitnessfunktion. Entscheidend für die Vergleichbarkeit unterschiedlicher Produktionssystemstrukturen ist die Quantifizierung ihres logistischen Aufwandes zur Abarbeitung eines konkreten Produktionsprogramms als Zielfunktions- bzw. Fitnesswert. Deshalb wird ein neuartiger, auf der Kombination von tatsächlichen betriebswirtschaftlichen Kosten (Dimensionierung) mit fiktiven, strukturbedingten Aufwandswerten (Strukturierung) basierender Ansatz zur Nutzung logistischer Kenngrößen bei der simulativen Bewertung von Produktionssystemstrukturen diskutiert, der über die bisher übliche Betrachtung des Transportaufwandes (Los mal Meter) hinausgeht. Der Nachweis der Lösungsqualität und Effizienz des entwickelten Verfahrens erfolgte durch seine softwaretechnische Realisierung in Form des Planungswerkzeuges SiDiS-GA und dessen Anwendung auf zwei Planungsbeispiele: Die Neuplanung einer fiktiven Fahrradfabrik und die Überplanung einer real existierenden Umformfabrik.