Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer Methode zur quantitativen, mehrdimensionalen Fabriklayoutplanung mittels mathematischer Modellierung von fabrikplanungsrelevanten Eigenschaften

Die Güte eines Fabrikplanungsprojekts wird maßgeblich durch die Layoutplanung bestimmt, da das Layout den marktgerechten Produktionsbetrieb und Unternehmenserfolg erheblich beeinflusset. Zur Planung von Fabriklayouts existieren verschiedene Herangehensweisen. Bei der manuellen Planung wird durch Experten ein Layout auf Basis vorab definierter Zielstellungen manuell geplant. Dies ist aufwändig, die Ergebnisse sind oft subjektiv und die Lösungsqualität hängt stark von der Erfahrung und der Methodenkompetenz der Planer ab. Alternativ können Methoden des Operations-Research (OR) genutzt werden, welche unter gegebenen Rahmenbedingungen das bestmögliche Fabriklayout berechnen, wobei dies allerdings bezüglich einer stark eingeschränkten Zielstellung erfolgt.

Das hier beschriebene Vorhaben strebt an, die Vorteile beider Verfahren zu vereinen. Das zugrunde liegende Forschungsziel ist die Entwicklung einer Methode zur automatisierten mehrdimensionalen, quantitativen Fabrikplanung auf Basis von Elementarzellen. Dieses Ziel lässt sich unterteilen in die Formulierung eines Optimierungsmodells zur mehrdimensionalen Fabrikplanung auf Basis von Elementarzellen, der anschließenden Entwicklung und Umsetzung eines geeigneten Lösungsverfahrens und der Implementierung in einem Software Demonstrator sowie die abschließende Validierung.

Eine mehrdimensionale Optimierung des Layouts realisiert einen großen Nutzen und damit eine Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit für KMU. Konkret entsteht ein Effizienzgewinn bezüglich der Qualität der Planungsergebnisse und der hierzu erforderlichen Kosten und Zeit, wovon insbesondere KMU aufgrund ihrer oftmals unzureichenden Methodenkompetenz im Bereich Fabrikplanung profitieren. Kurzfristig können hierdurch Planungskosten der beteiligten internen Personen oder externen Berater reduziert werden. Mittel- und langfristig ist zudem durch die verbesserten Planungsergebnisse eine Reduzierung von nachträglichen Änderungs- und Betriebskosten zu erwarten.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde eine Optimierungsmethode zur quantitativen, mehrdimensionalen Fabriklayoutplanung entwickelt. Die Methode ist den Verfahren des Operations Research zuzuordnen. Die zugrundliegende Problemstellung ist als Facility Layout Problem bekannt.

Zunächst sollten in Zusammenarbeit mit dem Projektbegleitenden Ausschuss Anforderungen an die Optimierungsmethode und den Softwaredemonstrator aufgenommen werden. Die Anforderungen wurden in Restriktionen überführt und diese wurden wiederum als Nebenbedingungen eines mathematischen Optimierungsmodells formuliert. Parallel erfolgte die Analyse und Weiterentwicklung der Berechnungsvorschriften zur Fabrikbewertung aus dem Forschungsprojekt QuaMFaB (IGF-Nr. 18111 N), welche die Zielfunktion des mathematischen Modells darstellen. Mit der Fertigstellung des mathematischen Modells war die Formulierung des Optimierungsproblems abgeschlossen. Im Anschluss wurde die quantitative, mehrdimensionale Optimierungsmethode entwickelt. Hierzu wurden heuristische Lösungsverfahren des Operations Research adaptiert beziehungsweise entwickelt. Um die geforderte einfache Anwendung der Methode zu ermöglichen, wurde anschließend ein Softwaredemonstrator mit zugehörigem Leitfaden entwickelt. Abschließend wurde die Optimierungsmethode validiert. Die Validierung ergab, dass die heuristischen Lösungsverfahren besseren Ergebnisse liefern als eine manuelle Planung durch Fabrikplanungsexperten. Die besten Ergebnisse ergaben die Metaheuristik Tabu Search sowie die Kombination aus den Metaheuristiken Genetischer Algorithmus und Simulated Annealing. Daher wird die Anwendung dieser Lösungsverfahren bei der Verwendung des Softwaredemonstrators empfohlen.

Der Softwaredemonstrator kann im Rahmen einer Fabrikplanung als Entscheidungsunterstützung für die (Grob-)Layoutplanung eingesetzt werden. Mögliche Anwender sind produzierende Unternehmen sowie Fabrikplanungsdienstleister.