Ablaufplanung mit Petrinetzen: Spezifikation eines entscheidungsorientierten Modellierungsansatzes PDF
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Dirk Sackmann Ablaufplanung mit Petrinetzen GABLER EDITION WISSENSCHAFT Dirk Sackmann Ablaufplanung mit Petrinetzen Spezifikation eines entscheidungsorientierten Modellierungsansatzes Mit einem Geleitwort von Prof. Dr. Ronald Bogaschewsky Deutscher Universitats-Verlag Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet Ober <http://dnb.ddb.de> abrufbar. Dissertation Universitat WOrzburg, 2002 u.d.T.: Sackmann, Dirk: Spezifikation eines ent scheidungsorientierten petrinetzbasierten Modellierungsansatzes zur Ablaufplanung in komplexen Produktionssystemen 1. Auflage Juni 2003 Aile Rechte vorbehalten © Deutscher Universitats-Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2003 Lektorat: Brigitte Siegel / Stefanie Loyal Der Deutsche Universitats-Verlag ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer. www.duv.de Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschOtzt. Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verla.9s unzulassig und strafbar. Das gilt insbe sondere fOr Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen System en. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dOrften. Umschlaggestaltung: Regine Zimmer, Dipl.-Designerin, Frankfurt/Main Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier ISBN-13:97B-3-B244-7B43-9 e-ISBN-13:97B-3-322-B1523-1 DOl: 10.1007/97B-3-322-B1523-1 Geleitwort Die Ablaufplanung stellt ein klassisches produktionswirtschaftliches Planungsproblem dar, das fUr komplexe Produktionssysteme bisher nicht in befriedigender Weise als ge15st angesehen werden kann. Insbesondere scheitem exakte Optimierungsansatze an der Problemgrii13e. Die in der Praxis oft eingesetzten heuristischen Prioritatsregeln weisen nicht selten wenig gute Ergebnisse auf und sind in ihrer globalen bzw. gesamtsystembezogenen Wirkung fUr den lokalen (dezentralen) Entscheidungstrager zumeist nicht iibersehbar. Komplexere Regeln und deren Kombination wurden verstlirkt seit den 90er-Jahren diskutiert, ohne dass sich diese, zumeist als wissensbasierte Systeme realisierten Ansatze, durchsetzen konnten. Relativ neu ist die Anwendung lokaler Suchverfahren wie Tabu Search, Simulated Annealing, Treshold Accepting sowie genetischer Algorithmen, durch die das Problem allerdings nicht als abschlie13end und zufriedenstellend als ge15st angesehen werden kann. Dirk Sackmann wlihlt die seit den 90er-Jahren fUr die Abbildung von Produktionssystemen herangezogenen Petrinetze als Modellierungsansatz, wobei er hiihere Netze, die die Abbildung und Beschreibung von Objekten wie Maschinen und Auftrage mit ihren relevanten Attributen erlauben, einsetzt. Zentral fur die Abbildung des Ablaufplanungsproblems ist dabei die Definition einer Vorgehensweise, wie Entscheidungen dariiber zu treffen sind, welche Auftrage in welcher Reihenfolge (Sequencing) auf welchen Anlagen (Routing) zu fertigen sind. Urn das (vage) Expertenwissen der lokalen Entscheidungstrager zu nutzen, bedient sich der Verfasser der Theorie der unscharfen Mengen und bildet hieriiber Entscheidungsregeln abo Da sich die reale Problemsituation (Auftrage) verandem kann, sieht er eine Adaption der Wissensbasis durch die Implementierung entsprechender Lemalgorithmen vor. Dieses sehr anspruchsvolle Themenfeld ist fur die konkrete Aufgabenstellung in dieser Form in der Literatur bisher nicht bearbeitet worden. Die Kombination von Petrinetzen als Modellierungswerkzeug mit unscharfen Mengen und regelbasierten Systemen einerseits sowie Lemalgorithmen andererseits zur Losung des kombinierten Sequencing-und Routing Problems stellt einen wertvollen wissenschaftlichen Erkenntnisfortschritt dar. Die prototypische Implementierung weist die Realisierbarkeit des Ansatzes nacho Ich wiinsche dieser ausgezeichneten Arbeit die verdiente Beachtung in Wissenschaft und Praxis. Prof. Dr. Ronald Bogaschewsky V Vorwort Die in Theorie und Praxis diskutierten und eingesetzten Instrurnente zur Unterstlitzung von Entscheidungen der Ablaufplanung im Rahmen des operativen Produktionsmanagements sind in jlingster Zeit immer haufiger Entwicklungsergebnisse interdisziplinarer Fo rschungs aktivitaten. Insbesondere die Verknlipfung von betriebswirtschaftlichem Know-How mit Wissen aus dem Bereich der Informatik scheint bei der wachsenden Bedeutung der Computerunterstlitzung der betrieblichen Planung unabdingbar. In diesem Zusammenhang bildet eine modellbasierte Ablaufplanung die Voraussetzung fUr die Integration der Ablaufplanung in ein rechnergestlitztes Gesamtkonzept der Unternehmensplanung. 1m Rahmen der vorliegenden Arbeit wird in diesem Zusammenhang auf einer theoretischen Basis ein Modell zur Entscheidungsunterstlitzung der Ablaufplanung entwickelt. Flir die Unterstlitzung bei der Erstellung der vorliegenden Arbeit mochte ich mich bei zahlreichen Kollegen und Freunden bedanken. Zuvor allerdings gilt mein besonderer Dank Prof. Dr. Ronald Bogaschewsky, der mich im Rahmen der Betreuung der Arbeit maBgeblich unterstlitzt hat. Flir die mit der Begutachtung der Dissertation verbundenen groBen Arbeit sei Herrn Prof. Dr. Rainer Thome herzlich gedankt. Besonders groBe Unterstlitzung erhielt ich in einer konstruktiven Arbeitsatmosphare insbesondere von Prof. Dr. Horst Ey, der zum einen die notwendigen Rahmenbedingungen im Hinblick auf die mir zugestandenen Freiheiten in Forschung und Lehre geschaffen und mir jederzeit als Ansprechpartner fUr inhaltliche Diskussionen zur VerfUgung gestanden hat. Fur die Unterstlitzung bei der prototypischen Implementierung des theoretischen Konzeptes mochte ich mich bei den Mitgliedern der CPN-Arbeitsgruppe der Universitat Aarhus sowie insbesondere bei Herrn Martin Mutz und Herrn Andreas Riese bedanken, die im Rahmen eines Forschungsprojektes als studentische Hilfskrafte wesentliche Anteile des theoretischen Losungsansatzes implementiert haben. Flir das sorgfaltige Korrekturlesen der Arbeit danke ich meiner Kollegin Jana Zabel. Last but not least danke ich memer Familie flir die m vielerlei Hinsicht gewahrte U nterstlitzung. Dirk Sackmann VII Inhaltsverzeichnis Geleitwort V Vorwort VII Inhaltsverzeichnis IX Abbildungsverzeichnis XIII Symbolverzeichnis XV 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Aufbau der Arbeit 4 2 EntfaItung eines Bezugsrahmens 9 2.1 Darlegung der entscheidungsorientierten Erkenntnisposition 9 2.2 Uberblick und Klassifikation existierender Ansatze zur Ablaufplanung 17 2.3 Motivation zur Auswahl eines petrinetzbasierten Modellierungsansatzes zur 27 Ablaufplanung 3 Explikation der Problemstellung und der Anwendungsbedingungen 31 4 EntfaItung eines problemadiiquaten Konzepts petrinetzbasierter 35 Modellierungsansiitze 4.1 Allgemeine Bestandteile und Eigenschaften des Kernkonzepts 36 petrinetzbasierter Modellierungsansatze IX 4.1.1 Grundlegende Bestandteile des Kernkonzepts petrinetzbasierter 36 Modellierungsansatze 4.l.2 Grundlegende Aspekte der Modellkonstruktion petrinetzbasierter 41 Modellierungsansatze 4.1.3 Grundlegende Aspekte der Modellauswertung petrinetzbasierter 46 Modellierungsansatze 4.2 Petrinetzbasierte Modellierung mit hoheren Netzen 49 4.2.1 Grundlagen petrinetzbasierter Modellierung mit hoheren Netzen 49 4.2.2 Reprasentation abstrakter Objekte von Produktionssystemen 52 4.2.3 Reprasentation konkreter Objekte von Produktionssystemen 53 4.3 Oberblick zu existierenden petrinetzbasierten Ansatzen zur Ablaufplanung 54 4.4 Formulierung eines petrinetzbasierten Modellierungsansatzes zur 60 Modellkonstruktion und -auswertung 4.4.1 Modellkonstruktion 60 4.4.2 Modellauswertung 62 4.5 Anwendungsbeispiel 64 5 Problemadiiquate Erweiterungen petrinetzbasierter Modellierungsansiitze 69 unter besonderer Beriicksichtigung adaptiver unscharfer wissensbasierter Systeme 5.1 Erweiterungen unter Beriicksichtigung von unscharfem Expertenwissen 69 5.l.l Erweiterungen unter Beriicksichtigung wissensbasierter Systeme 69 5.l.l.l Die Wissensbasis eines Expertensystems 70 5.l.l.2 Die Wissensverarbeitung eines Expertensystems 72 5.l.l.3 Architekturen von Expertensystemen 73 5.l.2 Erweiterungen unter Beriicksichtigung unscharfer wissensbasierter Systeme 76 5.l.2.l Problemrelevante Grundlagen zur Theorie unscharfer Mengen 77 5.l.2.2 Freiheitsgrade bei der Konzeptualisierung von unscharfen Modellen 86 5.l.2.3 Formulierung eines unscharfen Systems 87 x 5.1.2.3.1 Ableitung der linguistischen Variablen 87 5.1.2.3.2 Ableitung der Regeln 89 5.1.2.3.3 Ableitung der ZugehOrigkeitsfunktionen 91 5.1.2.3.4 Ableitung des Inferenzrnechanismus und der Operatoren 93 5.1.3 Anwendungsbeispiel 99 5.2 Lemverfahren zur Adaption des Systems 109 5.2.1 Konkretisierung der Lemaufgabe zur Adaption des Systems 109 5.2.2 Charakterisierung unterschiedlicher Lemverfahren 110 5.2.3 Lemverfahren zur Adaption des Entscheidungsverhaltens 113 5.2.3.1 Grundlagen von Reinforcement-Lemverfahren 115 5.2.3.2 Rahmenbedingungen und Freiheitsgrade beim Einsatz von Reinforcement 119 Lemverfahren 5.2.3.3 Formulierung eines Reinforcement-Lemverfahrens zur Adaption des 122 Entscheidungsverhaltens 5.2.3.3.1 Ableitung der Bewertungsfunktion 122 5.2.3.3.2 Ableitung der Lemregel 124 5.2.3.3.3 Ableitung der Explorationsstrategie 126 5.2.3.4 Anwendungsbeispiel 128 5.2.4 Lemverfahren zur Adaption der Wissensbasis 132 5.2.4.1 Grund1agen k1assifizierender Lemverfahren 133 5.2.4.2 Formulierung eines Lemverfahrens zur Adaption unscharfen Wissens 137 5.2.4.2.1 Clusteranalyse zur Segmentierung der Daten 138 5.2.4.2.2 Generierung eines unscharfen Klassifikationssystems 148 5.2.4.3 Anwendungsbeispiel 160 6 Zusammenfassung und Ausblick 163 Literaturverzeichnis 167 XI Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Struktur der vorliegenden Arbeit 8 Abbildung 2: Schematische Gegeniiberstellung der Uisungssuche im Raum zulassiger 24 Plane und der Losungssuche in einem diskreten Zustandsraum Abbildung 3: Uberblick iiber Losungsansatze der Ablaufplanung 26 Abbildung 4: Graphische Darstellung eines S/T-Netzes 39 Abbildung 5: Kausale Netzsituation 42 Abbildung 6: Konfliktare Netzsituation 43 Abbildung 7: Nebenlaufige Netzsituation 44 Abbildung 8: Petrinetz-Modell des Objekttyps Maschine 54 Abbildung 9: Petrinetz-Modell einer Produktionsstufe 61 Abbildung 10: Petrinetz-Modell eines Produktionssystems 64 Abbildung 11: Basisarchitektur zur Konstruktion partieller Erreichbarkeitsgraphen 65 Abbildung 12: Matrix der Bearbeitungszeiten 66 Abbildung 13: Tabelle der Lieferterrnine 67 Abbildung 14: Gegeniiberstellung eines exemplarisch ausgewiihlten Pfades im 67 Erreichbarkeitsgraphen mit dem korrespondierenden Gantt-Diagrarnm zur Visualisierung einer ausgewiihlten zulassigen Losung des Ablaufplanungsproblems Abbildung 15: Blackboardarchitektur 75 Abbildung 16: Blackboardarchitektur zur wissensbasierten Konstruktion partieller 100 Erreichbarkeitsgraphen Abbildung 17: Struktur einer hierarchisch aufgebauten Kriterienhierarchie 102 Abbildung 18: Exemplarische Zugehorigkeitsfunktionen einer linguistischen Variable 103 "Auftragsbedeutung" Abbildung 19: Beispiel -Matching der Regelpriimissen 104 Abbildung 20: Beispiel-Ergebnis einer Regelauswertung 104 Abbildung 21: Beispiel-Errnittlung der Auftragseignungen 105 Abbildung 22: Unter Verwendung des unscharfen Systems identifizierter partieller 107 Erreichbarkeitsgraph Abbildung 23: Gantt-Diagramm einer optimalen Maschinenbelegung 108 Abbildung 24: Interaktion zwischen einem Agenten und seiner Umgebung in 117 Reinforcement- Lemverfahren XIII
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