Die Optimierung der operationellen Abläufe in komplexen Produktionssystemen hat in den letzten Jahren sowohl im akademischen Umfeld als auch bei Praktikern große Beachtung gefunden. So bezeichnet Mertens [141] die anwendungsbezogene Umsetzung von Methoden der Informatik und des Operations Research (OR) als eine der Kernaufgaben der Wirtschaftsinformatik.
In diesem Kapitel wird ein allgemeiner System- und Prozessbegriff auf Produktionssysteme und -prozesse angewandt. Anschließend werden komplexe Produktionssysteme charakterisiert. Der Be griff der Steuerung von Produktionsprozessen wird eingeführt. Steuerungsansätze des Operations Research, der Künstlichen Intelligenz und der Regelungstheorie für komplexe Produktionssysteme werden erläutert. Darauf aufbauend werden hybride Steuerungsansätze diskutiert. Das Kapitel endet mit der Ableitung von Anforderungen an ein Steuerungssystem für komplexe Produktionsprozesse.
Verteilte hierarchische Steuerungssysteme sind ein Kompromiss zwischen dezentralen und zentralen Ansätzen. Die Einführung von Hierarchien dient dazu, komplexe Probleme räumlich und zeitlich zu dekomponieren und auf diese Art und Weise Lösungen für das untersuchte Problem zu ermöglichen. In diesem Kapitel wird ein hierarchisches Steuerungsverfahren für komplexe Produktionssysteme vorgeschlagen. Dafür werden die Hierarchieebenen Produktionssystemsteuerungsebene, Produktionsbereichssteuerungsebene und Maschinengruppensteuerungsebene betrachtet. Für jede dieser Hierarchieebenen werden entsprechende Entscheidungsmodelle entwickelt. Anschlie- ßend wird eine Agentifizierung des vorgeschlagenen Steuerungsansatzes vorgenommen.
In diesem Kapitel werden heuristische Lösungsverfahren für den in Kapitel 3 beschriebenen hierarchischen Steuerungsansatz entwickelt. Der Einsatz von Heuristiken ist wesentlich, da auf Grund der Berechnungskomplexität der Einsatz effizienter exakter Verfahren nicht möglich ist. Für die Terminierung der Lose auf Produktionssystemebene wird ein Beam-Search-Algorithmus dargestellt, der die endlichen Kapazitäten der Maschinen geeignet berücksichtigt. Als zweites Verfahren für diese Steuerungsebene wird ein simulationsbasiertes iteratives Verfahren entwickelt, welches Abschätzungen für die Wartezeiten der Lose vor den einzelnen Maschinen ermittelt. Fär die Produktionsbereichssteuerungsebene wird zur Maschinenbelegung eine verteilte Shifting-Bottleneck-Heuristik verwendet. Durch die Verwendung von auf Produktionssystemebene ermittelten Terminen können die Ablaufpläne für die einzelnen Produktionsbereiche nebenläufig berechnet werden. Anschlie ßend finden zwischen den Produktionsbereichen iterative Abstimmungsprozesse statt. Die Shifting- Bottleneck-Heuristik führt eine maschinengruppenbasierte Dekomposition des zu lösenden Schedulingproblems durch. Aus diesem Grund werden in diesem Kapitel effektive Lösungsheuristiken für Gruppen paralleler Maschinen bereitgestellt. Falls die durch die Produktionsbereichssteuerungsebene vorgegebenen Ablaufpläne ungültig sind, wird für die Maschinengruppensteuerungsebene ein Kontraknetzansatz vorgeschlagen, der eine Maschinenbelegung ermöglicht. Die in diesem Fall für die Bewertung von Angeboten der Maschinen und Nachfragen der Lose notwendigen Kosten werden auf Basis von Maschinenstundensatzen bestimmt. Für alle angegebenen Verfahren werden numerische Ergebnisse vorgestellt.
Unter Koordination wird die direkte Einflussnahme auf unterschiedliche Systembestandteile mit dem Ziel eines integrierten, harmonischen Zusammenwirkens verstanden [143]. Dazu werden zunächst unterschiedliche Formen der Koordination in hierarchischen und dezentralen Systemen er- läutert. Koordination setzt im Allgemeinen Kommunikation voraus. Kommunikation verlangt ein gemeinsames Verständnis der an der Kommunikation beteiligten Systemeinheiten. Als Vokabular wird eine Ontologie für die Steuerung komplexer Produktionssysteme entwickelt. Auf dieser Ontologie aufbauend wird eine geeignete Contentsprache für komplexe Produktionssysteme entworfen, die den Inhalt von Nachrichten auf semantischer Ebene festlegt. Interaktionsprotokolle beschreiben, in welcher zeitlichen Reihenfolge zwischen welchen beteiligten Systemeinheiten Nachrichten ausgetauscht werden. Ontologie, Contentsprache und Interaktionsprotokolle werden zusammen als Koordinationssprache bezeichnet.
In diesem Kapitel wird eine Softwarearchitektur entwickelt, die eine Realisierung des in Kapitel 3 und 4 dargestellten neuartigen Steuerungskonzeptes ermöglicht. Eine rollen- und verhaltensbasierte Agentenmodellierung wird beschrieben. Infrastrukturfragen für Multi-Agenten-Systeme werden diskutiert. Auf die Realisierung von Kommunikation zwischen Agenten des Multi-Agenten- Systems wird eingegangen. Eine generische Architektur für Entscheider- und Dienstagenten zur Steuerung komplexer Produktionssysteme wird entwickelt. Die Gestaltung der Interaktion zwischen Entscheider-und Dienstagenten wird beschrieben.
Eine generische Architektur zur Leistungsbewertung von Systemen zur Produktionssteuerung ist Gegenstand dieses Kapitels. Die Architektur erlaubt insbesondere die Leistungsbewertung von verteilten Steuerungssystemen. Eine blackboardartige Datenschicht wird vorgeschlagen, deren 0bjekte die für die Produktionssteuerung notwendigen Informationen enthalten. Diskrete ereignisorientierte Simulation wird zur Emulation des zu steuernden komplexen Produktionssystems eingesetzt. Es werden Leistungsmaße zur Bewertung von Produktionssystemen vorgeschlagen. Die beschriebene Methode wird anschließend zur Leistungsbewertung eines hierarchisch-organisierten Multi-Agenten-Systems angewandt.
Mit der vorliegenden Arbeit werden Steuerungsverfahren für komplexe Produktionssysteme entwickelt und Informationssysteme beschrieben, in die die Steuerungsverfahren integriert werden konnen. Aufbauend auf einer Untersuchung gegenwärtig existierender Steuerungsverfahren werden Anforderungen an einen Steuerungsansatz für komplexe Produktionssysteme herausgearbeitet. Es wird dargestellt, wie die Theorie der verteilten hierarchischen Entscheidungsfindung für die Steuerung komplexer Produktionsprozesse angewandt werden kann. Es wird ein Framework für eine verteilte hierarchische Steuerung komplexer Produktionssysteme entwickelt. Gleichzeitig wird gezeigt, dass das vorgeschlagene hierarchische Steuerungssystem in natürlicher Art und Weise als Multi-Agenten-System implementiert werden kann. OR- und KI-Verfahren werden vorgeschlagen, die optimierende und koordinierende Eigenschaften des vorgeschlagenen Steuerungsansatzes sicherstellen und als Dienstagenten im Multi-Agenten-System fungieren. Eine simulationsbasierte Leistungsbewertung der in der Arbeit untersuchten Steuerungsverfahren wird durchgeführt. Die Ergebnisse numerischer Experimente werden diskutiert und interpretiert.
