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A5 - Modellierung und Analyse der Dynamik selbststeuernder logistischer Prozesse

Prof. Dr. Sergey Dashkovskiy

Fachbereich Bauingenieurwesen
Fachhochschule Erfurt
Altonaer Str. 25, 99085 Erfurt, Germany

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Prof. Dr.-Ing. Bernd Scholz-Reiter

BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik
an der Universität Bremen
Bereich Intelligente Produktions- und Logistiksysteme (IPS)
Hochschulring 20, 28359 Bremen, Germany
Tel: +49 421 218 50000, Fax: +49 421 218 50003
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Motivation

Selbststeuerung kann als dezentrale Koordination einer großen Anzahl autonomer Objekte verstanden werden. Die lokalen Interaktionen der einzelnen autonomen Objekte bewirken ein lokales, dynamisches Verhalten, welches als Mikro-Dynamik des Systems bezeichnet wird. Durch Emergenz kann dies auf Systemebene zur Selbstorganisation führen. Derartige selbstorganisierende Strukturen lassen sich vor allem in natürlichen, lebenden Systemen wie z.B. in Insektenkolonien beobachten. Hier verursachen die Insekten ein Systemverhalten, welches dem Systemzweck dient. Dieses globale Systemverhalten wird als Makro-Dynamik des Systems bezeichnet.
Motivierend für dieses Projekt ist die Frage, wie in logistischen Systemen ein ähnliches Zusammenspiel zwischen Mikro- und Makrodynamik wie in natürlichen Systemen erreicht werden kann, d.h. wie die Interaktionen autonomer logistischer Objekte zu dem gewünschten Verhalten des logistischen Systems führen.

Ergebnisse 1. Phase (2004-2007)

Ein produktionslogistisches Referenzszenario (MxN Matrix-Modell) wurde etabliert und verschiedene Ansätze zur Modellierung vorgestellt: Ereignisdiskrete Simulationsmodelle, System-Dynamics-Modelle und analytische Modelle in Form von Differentialgleichungen. Zwei unterschiedliche Selbststeuerungsmethoden, eine warteschlangenlängen-basierte und eine pheromon-basierte Selbststeuerungsregel, bei denen die Teile autonom auf Basis lokaler Informationen über die nächsten Produktionsschritte entscheiden können, wurden implementiert und im Rahmen umfangreicher Simulationsläufe auf Ihren Umgang mit Dynamik und Komplexität analysiert. Es wurde gezeigt, dass Modelle mit Selbststeuerung bei starken Nachfrageschwankungen effektiver und robuster gegenüber unerwarteten Störungen sind als durch konventionelle Produktionspläne gesteuerte Modelle. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass eine simultane Nutzung der verschiedenen Modellierungsansätze möglich ist, um die Interdependenzen zwischen lokalem und globalem Verhalten von selbststeuernden logistischen Systemen zu beschreiben. Weiterhin wurden Stabilitätsanalysen mithilfe eines Fluid-Approximation-Modells und ereignisdiskreter...

Ziele 2. Phase (2008-2011)

Hauptziel ist die Modellierung und Analyse der Dynamik selbststeuernder logistischer Prozesse in Produktionsnetzwerken, welche sowohl selbststeuernde produktions- als auch transportlogistische Objekte beinhalten. Dabei soll auf das dynamische Verhalten des gesamten Produktionsnetzwerks fokussiert werden, das durch Selbststeuerung sowohl an einem Produktionsstandort als auch beim Transport der Objekte zwischen den einzelnen Produktionsstandorten beeinflusst wird. Hier soll beantwortet werden, wie selbststeuernde Prozesse bei einer integrierten Betrachtung von Produktions- und Transportlogistik gestaltet sein müssen, um Selbststeuerung im Gesamtsystem zu ermöglichen. Zugleich soll der Einfluss lokaler Selbststeuerung auf das Gesamtverhalten des logistischen Systems erforscht werden. Dazu sollen nicht nur innerbetriebliche sondern auch sich an den Schnittstellen zwischen verschiedenen Produktionsstandorten befindliche selbststeuernde logistische Prozesse modelliert und hinsichtlich Ihrer Leistung, Dynamik und Robustheit analysiert werden.

Vorgehen 2. Phase (2008-2011)

Die interdisziplinäre Zusammensetzung von Teilprojekt A5 ermöglicht eine durchgängig zweigleisige Vorgehensweise für die Modellierung und Analyse selbststeuernder logistischer Prozesse in einem Produktionsnetzwerk. Das bedeutet, dass zum einen die Modellierung sowohl analytisch-gleichungsbasiert als auch simulationstoolbasiert erfolgt, zum anderen werden beide Modelltypen sowohl hinsichtlich ihrer Dynamik als auch bzgl. ihrer Performance analysiert. Dies duale Vorgehen ermöglicht die Nutzung der verschiedenen Modellierungsmethoden, um einerseits die unterschiedlichen Abstraktionsebenen eines logistischen Systems darzustellen und andererseits eine gegenseitige Validierung sowie die wechselseitige Nutzung von Synergieeffekten zu forcieren. Es ist weiterhin geplant, das im Teilprojekt B1 in der ersten SFB Phase entwickelte „Distributed Logistics Routing Protocol“ für transportlogistische Prozesse einerseits auf produktionslogistische Prozesse zu übertragen.

Ergebnisse 2. Phase (2008-2011)

In der zweiten Förderperiode wurde zunächst ein matrixförmiges Modell eines Produktionsnetzes erstellt, welches sowohl Analysen des globalen Systemverhaltens auf der Makroebene als auch den Einsatz lokaler Selbststeuerungsregeln auf der Mikroebene ermöglicht. Es wurden neue bioanaloge Selbststeuerungsmethoden entwickelt und hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens, der Robustheit sowie der logistischen Zielerreichung mit zentralen Planungsansätzen verglichen. Zudem wurde ein Vorgehensmodell zur Entwicklung bioanaloger Selbststeuerungsverfahren erarbeitet. Mithilfe von Differentialgleichungen mit Zeitverzögerungen wurden zur Untersuchung der Stabilitätseigenschaften von Produktionsnetzen verschiedene Werkzeuge entwickelt und Bedingungen für Stabilitätsanalysen erforscht. Zudem wurden lokale Regler erarbeitet, um ganze Netzwerke zu stabilisieren. Basierend auf einem dualen, interdisziplinären Ansatz wurde ein Entwurfsverfahren für die Stabilitätsanalyse von Produktionsnetzen aufgestellt, welches eine detaillierte Identifizierung von Stabilitätsgebieten in annehmbarer Zeit ermöglicht.

Projektmitarbeiter

Dipl.-Wi.-Ing. Michael Görges

BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik
an der Universität Bremen
Bereich Intelligente Produktions- und Logistiksysteme (IPS)
Hochschulring 20, 28359 Bremen, Germany
Tel: +49 421 218 50099, Fax: +49 421 218 50003
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M.Sc. Mykhaylo Kosmykov

Universität Bremen
Fachbereich Matematik/Informatik
Zentrum für Technomathematik (ZeTeM)
Arbeitsgruppe Mathematische Modellierung komplexer Systeme
Bibliothekstr.1, 28359 Bremen, Germany
Tel: +49 421 218 63746, Fax: +49 421 218 9863746
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MSc Andrii Mironchenko

Universität Bremen
Fachbereich Mathematik/Informatik
Zentrum für Technomathematik (ZeTeM)
Mathematische Modellierung komplexer Systeme
Bibliothekstr. 1, 28359 Bremen, Germany
Tel: +49 0421 218 63825, Fax: +49 421 218 9863825
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Dipl.-Math. Lars Naujok

Universität Bremen
Fachbereich Mathematik/Informatik
Zentrum für Technomathematik (ZeTeM)
Arbeitsgruppe Mathematische Modellierung komplexer Systeme
Bibliothekstr. 1, 28359 Bremen, Germany
Tel: +49 421 218 63744, Fax: +49 421 218 98 63744
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Dr. Svyatoslav Pavlichkov

Universität Bremen
Fachbereich Mathematik/Informatik
Zentrum für Technomathematik (ZeTeM
Arbeitsgruppe Mathematische Modellierung komplexer Systeme
Bibliothekstr. 1, 28359 Bremen, Germany
Tel: +49 421 218 63825, Fax: +49 421 218 9863825
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