Forschungsergebnisse aus den laufenden Promotionsvorhaben werden regelmäßig im Rahmen des Doktorandenworkshops Nordost präsentiert.

Personaleinsatzplanung

Personen: Christoph Stark
Beginn: 1. April 2002
Laufzeit: viereinhalb Jahre

In vielen Unternehmen und insb. in arbeitsintensiven Call Centern stellt der Faktor Arbeit einen der größten Kostentreiber dar. Um kostenseitige Wettbewerbsvorteile erschliessen zu können, ist in solchen Unternehmen der effiziente Einsatz der Ressource Arbeit von zentraler Bedeutung. Aufgrund zunehmend deregulierter Arbeitsbedingungen gewinnt das Problem der Planung des Personaleinsatzes zusätzlich an Komplexität.

In Zusammenarbeit mit der Astrum AG, einem führenden Softwareanbieter für Call Center, entwickeln wir ein Modul zur täglichen Schichtplanung. Bei der Schichtplanung wird zunächst jeder Tag eines vorgegebenen Planungszeitraumes in diskrete Zeitintervalle unterteilt. Für jeden dieser Intervalle ist ein Mindestpersonalbedarf bekannt, so dass ein vom Call Center Management vorzugebender Servicegrad (bspw. gemessen als der Anteil der Anrufer, der innerhalb von 60 Sekunden bedient wird) erfüllt wird. Aufgabe der Schichtplanung ist es, diese Bedarfskurve in einen Schichtplan zu überführen, der angibt, wieviele Schichten eines bestimmten Typs für den betrachteten Tag zur Deckung des Personalbedarfs benötigt werden. Eine Schicht wird dabei charakterisiert durch den Zeitpunkt ihres Beginns, ihre Dauer, sowie durch die Anzahl und Länge der in der Schicht enthaltenen Pausen.

Die Schichtplanung unterliegt zahlreichen gesetzlichen und vertraglichen Restriktionen, die beispielsweise die Mindest- und Höchstlänge einer Schicht oder einer Pause, die Anzahl der Pausen sowie den zeitlichen Abstand zwischen zwei Pausen betrifft. Ziele der Schichtplanung sind im allgemeinen die Minimierung der für einen Tag benötigten Schichten, der mit einem Schichtplan assoziierten Kosten oder der Über- und Unterdeckungen der Bedarfskurve.

Aufgrund der Vielzahl möglicher Schichten und Schichtpläne ist das Problem sehr schwierig zu lösen. Im allgemeinen bedient man sich daher heuristischer Lösungsalgorithmen oder aber geeigneter exakter Verfahren wie bspw. Branch-and-Price zur Lösung mittelgroßer Probleme.

Tourenplanung von Speditionsunternehmen in Stückgutkooperationen

Partner: Schäfer und Partner Software GmbH
Personen: Julia Rieck
Beginn: 1. Oktober 2003
Laufzeit: vier Jahre

Speditionsunternehmen, die am Stückgutmarkt tätig sind, transportieren Güter mit einem Gewicht von ca. 30 kg bis zu ca. 2,5 t. Im Gegensatz zur Paketfracht ist die Gestalt der Güter sehr heterogen, es werden Paletten, Kisten, Kartons usw. befördert. Neben den unterschiedlichen Beschaffenheiten der Stückgüter müssen Speditionsunternehmen sich einem steigenden Wettbewerb als Folge der EU-Osterweiterung sowie gestiegenen Kundenerwartungen stellen. Des Weiteren ist der stetig wachsende Güterfluss effizient zu bewältigen, d.h. es sind geringe Transportlaufzeiten und eine gute Servicequalität zu garantieren. Insbesondere kleine und mittelständische Speditionsunternehmen haben Schwierigkeiten, sich der veränderten Marktsituation anzupassen. Sie schließen sich in Stückgut-Kooperationen zusammen, um durch eine solche Zusammenarbeit Synergieeffekte in den Bereichen Flächendeckung sowie Laufzeit- und Auslastungsoptimierung  zu erlangen.

Transportnetze von Stückgut-Kooperationen bestehen aus den Depots der einzelnen Kooperationspartner, die ähnlich einer Hub-and-Spoke-Struktur miteinander verknüpft sind. Jeder Kooperationspartner hat die Aufgabe, in einem abgegrenzten Gebiet um sein Depot Güter einzusammeln, die dann im Fernverkehr weiter transportiert werden, und aus dem Fernverkehr ankommende Güter auszuliefern. Aufgrund dieser Aufgabenverteilung rechnen kleine und mittelständige Speditionsunternehmen mit einer stabilen Auftragslage. Allerdings kann aufgrund von Preisregelungen innerhalb einer Kooperation nur für einen Teil der Aufträge eine freie Preisgestaltung vorgenommen werden. Für alle übrigen Aufträge erhalten die Speditionsunternehmen einen Festbetrag, mit dem sie kostendeckend arbeiten müssen. Eine kostengünstige Prozessabwicklung der operativen Tourenplanung vor Ort ist daher von großer Bedeutung.

In Zusammenarbeit mit der Schäfer und Partner Software GmbH in Langelsheim verfolgen wir das Ziel, ein Sofwaremodul für die Tourenplanung von Speditionsunternehmen in Stückgut-Kooperationen zu entwickeln. Dabei werden alle praxisrelevanten Anforderungen aufgegriffen. Neben der Berücksichtigung heterogener Fahrzeugflotten Kundenzeitfenstern sowie simultaner Auslieferung und Einsammlung von Stückgütern bei den Kunden werden ein mehrfacher Fahrzeugeinsatz und Belegungszeiten der Verladerampen im Depot berücksichtigt.

Aufgrund der Komplexität der für die Praxis relevanten Probleminstanzen bedienen wir uns heuristischer Lösungsalgorithmen. Im Gegensatz zu exakten Verfahren gewährleisten Heuristiken nicht, dass ein globales Optimum gefunden wird, aber in den meisten Fällen werden gute Näherungslösungen generiert.

Mittelfristige Planung von Flexibilitätsinstrumenten in der Fließreihen- und Fließstraßenfertigung am Beispiel der Automobilindustrie

Partner: DaimlerChrysler AG
Personen: Claas Hemig
Beginn: 1. August 2005
Laufzeit: vier Jahre

In gesättigten Triademärkten steigen die Marktanforderungen an die Automobilindustrie: Der Kunde erwartet attraktive Produkte in allen Fahrzeugklassen, so dass auch im Premiumsegment Mehrpreise nur durch kundenerfahrbaren Mehrwert erzielt werden. Die Hersteller reduzieren die Produkt-Lebenszyklen, produzieren Nischenprodukte, steigern den Innovationsgrad und die für den Kunden erlebbare Variantenvielfalt. Entwicklungsseitig wird durch eine fertigungsgerechte Produktentwicklung und damit einhergehende Modularisierungs- und Standardisierungskonzepte sichergestellt, dass die komplexen Produkte zu akzeptablen Kosten produziert werden können. In der Produktion erzeugt der Kostendruck eine konsequente Wertschöpfungsorientierung.

Voraussetzung für hohe Umsatzrenditen der Hersteller ist allerdings eine hohe Auslastung der Fertigungslinien, die in zunehmend dynamischen und unsicheren Märkten nur durch eine hohe Flexibilität zu erzielen ist. Auf baureihenflexiblen Linien für den Volumenmarkt können so neben den stark standardisierten Produkten ohne Schwierigkeiten Nischenprodukte integriert werden. Im Premiumsegment ist dies schwieriger, da eine effiziente Fertigung der variantenreichen und sich stark unterscheidenden Fahrzeuge auf baureihenflexiblen Linien nur teilweise möglich ist. Aus diesem Grund gewinnen für diese Hersteller neben der baureihenflexiblen Linie auch andere Flexibilitätskonzepte an Bedeutung.

Im Rahmen einer Forschungskooperation mit dem Forschungszentrum Ulm der DaimlerChrysler AG werden die Möglichkeiten der Planung von Flexibilitätsinstrumenten innerhalb eines Planungszeitraums von ca. 3-5 Jahren untersucht.

Unter Beachtung von beschränkten Pufferkapazitäten zwischen den einzelnen Gewerken und vielfältigen technischen Restriktionen liegt das Hauptaugenmerk der Forschung auf der mittelfristigen Personalbedarfsplanung. Unter Berücksichtigung gesetzlicher, tariflicher und unternehmensinterner Regelungen wird dabei die Schicht- und Pausenplanung bei schwankendem Arbeitskräftebedarf mit dem Konzept der Lernkurven kombiniert. Die Schwankungen des Arbeitskräftebedarfs ergeben sich dabei hauptsächlich aus den zeitlich nicht-konstanten Bedarfen an Endprodukten und der daraus resultierenden Notwendigkeit anzupassender Arbeitszeiten und Produktionsgeschwindigkeiten auf den einzelnen Fertigungslinien. Das Lernkurvenkonzept ist dazu geeignet, Beschleunigungen durch regelmäßige Übung von neu erlernten Arbeitsprozessen nach einer Rekonfiguration einer Fertigungslinie abzubilden.

In einem weiteren Schritt wird die Abhängigkeit der Fertigungslinien untereinander, die bereits im Rahmen der Personal(-einsatz-)planung besteht, durch die Möglichkeit der Verteilung des Produktionsprogramms auf parallele Fertigungslinien ergänzt und verstärkt.

Die entwickelten Verfahren werden an geeigneten Fallbeispielen getestet und sollen anschließend in die interne Softwareumgebung des Kooperationspartners zur Produktionsplanung und -steuerung integriert werden.

Versuchsträgerplanung in Entwicklungsprojekten der Automobilindustrie

Partner: tiba Software Center GmbH
Personen: Jan-Hendrik Bartels
Beginn: 1. Oktober 2004
Laufzeit: zwei Jahre

Vor dem Hintergrund einer über die letzten Jahrzehnte fortlaufend gestiegenen Variantenvielfalt und Produktkomplexität haben sich die fixen Anteile an den Stückkosten eines Automobils stark erhöht. Während beschriebenem Trend im Bereich der Produktion beispielsweise durch eine modellübergreifende Nutzung von Gleichteilen entgegengewirkt werden konnte, stellt insbesondere die Reduktion gestiegener Entwicklungskosten eine große Herausforderung dar. Dabei wirken sich Produktkomplexität und Variantenvielfalt vor allem auf die Kosten der Erprobung aus, mit der zum einen die vom Kunden erwartete Qualität sichergestellt werden soll und zum anderen bestimmte Produkteigenschaften einer jeden Modellvariante gegenüber dem Gesetzgeber nachgewiesen werden müssen. Die Erprobungskosten werden maßgeblich durch den Aufbau von sog. Versuchsträgern (Prototypen) verursacht, welche bis zu einer Mio. Euro pro Stück kosten. Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, mit Hilfe von Methoden der ressourcenbeschränkten Projektplanung die Anzahl aufzubauender Versuchsträger zu minimieren, indem die auszuführenden Versuche geeignet auf den notwendigen Versuchsträgern terminiert werden.

Bei der Zuordnung der Versuche zu den Versuchsträgern unter Festlegung eines Startzeitpunktes gilt es eine Reihe von Restriktionen zu beachten. Zunächst existieren verschiedene Versuchsträgervarianten, die sich z.B. durch Motorisierung, Fahrwerk oder Karosserie unterscheiden. Die meisten Versuche können allerdings ausschließlich auf ganz bestimmten Fahrzeugvarianten ausgeführt werden. Zudem gilt es, Zeitbeziehungen und Termineinschränkungen zu beachten, die aus sachlogischen Abläufen resultieren. Auch der Zerstörung von Versuchsträgern durch eine Reihe von Versuchen (z.B. Crashtests) sowie einer Einschränkung der Funktionalität eines Fahrzeuges nach der Ausführung bestimmter Versuche muss Rechnung getragen werden. Schließlich hat eine zulässige Planung zu beachten, dass die Versuchsträger zunächst gebaut werden müssen, bevor sie für Tests zur Verfügung steht. Da nun aber aufgrund beschränkter Kapazitäten des Prototypenbaus nicht alle Versuchsträger gleichzeitig hergestellt werden können, ist die Reihenfolge des Aufbaus Teil des Optimierungsproblems.

Aufgrund der Komplexität des Optimierungsproblems und der umfangreichen Probleminstanzen aus der Praxis erarbeiten wir zur Bestimmung initialer Lösungen zunächst verschiedene auf Prioritätsregeln basierende Heuristiken. Die so generierten initialen Lösungen werden mit Hilfe eines genetischen Algorithmus verbessert. Erste experimentelle Untersuchungen zeigen, dass die auf diese Weise errechneten Lösungen die bisherige Methode der Lösungsfindung für die Versuchsträgerplanung stark verbessern.

Optimale Nutzung vorhandener Flexibilitätsinstrumente in der Produktion am Beispiel der Automobilindustrie

Partner: DaimlerChrysler AG
Personen: Gazi Askar
Beginn: 1. Januar 2005
Laufzeit: zweieinhalb Jahre

Eine große Herausforderung für Automobilunternehmen zur Sicherung der Wettbewerbs­fähigkeit ist der optimale Einsatz der durch die strategische Planung vorgegebenen Flexibilität im Fabrikbetrieb. Hierbei handelt es sich um ein Planungsproblem mit kurz- bis mittel­fristigem Zeithorizont unter Unsicherheit der Märkte. Zielsetzung ist die kostenoptimale Einstellung der vorhandenen Freiheitsgrade über die Zeit unter Berücksichtigung der Wechsel­wirkungen und Randbedingungen bei gegebenen Marktszenarien. Insbesondere in personallastigen Bereichen, wie z.B. in der Montage, bestehen aufgrund der Personal­flexibilität (Schichtanzahl, Arbeitszeit, Taktzeit, etc.) eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Anpassung an veränderte Bedingungen. Durch die Abbildung der Restriktionen wird die Komplexität angesichts der starken Wechselwirkungen zwischen den Perioden (Lernkurven, max. Anzahl von Samstage, etc.) zusätzlich erhöht.

Die Gewerke übergreifende Optimierung des Fabrikbetriebes stellt daher eine erhebliche Herausforderung dar. Insbesondere die Kapazitäten der Karossenpuffer zwischen den Gewerken spielen hierbei eine große Rolle, da sie die Auswirkungen unterschiedlicher Betriebsstrategien nur in begrenztem Maße abfangen können.

Ziel der Arbeit ist die Analyse der Flexibilitätsinstrumente innerhalb einer Fabrik sowie die Entwicklung einer Methode zur optimalen Einstellung der identifizierten Freiheitsgrade über die Zeit. Diese soll in Form eines Planungswerkzeuges umgesetzt werden. Für die Montage existiert bereits ein lokales Planungswerkzeug auf Basis der dynamischen Programmierung, Dieses soll für die Gewerke Rohbau und Lackierung, sowie für ein Modell der Gesamtfabrik adaptiert werden. Aufgrund der Kombinatorik sind auf der Fabrikebene auch andere Ansätze denkbar, wie z.B. ein heuristisches oder ein mehrstufiges Verfahren. Mit Hilfe der Ergebnisse sollen anschließend Empfehlungen für die Auslegung der Flexibilität in einer Fabrik abgeleitet werden, wie z.B. sinnvolle Arbeitszeitmodelle.

 

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