In der Automobilindustrie zählt die Fertigung von Karosserieteilen zu den investitionsintensivsten Prozessen. Einmal gewählte Fertigungstechniken werden auf lange Sicht beibehalten. Aus diesem Grund hat die Kapazitätsplanung über zehn bis 15 Jahre eine außerordentlich hohe Bedeutung. Pressenanlagen stellen in Presswerken die Karosserieteile aus Blech her, wie zum Beispiel Front- und Heckklappen. Die Pressenanlagen formen das Blech mit Hilfe von Werkzeugsätzen um und schneiden es.
Durch das Zusammenfügen der Teile entsteht die so genannte Rohkarosserie.
Aufgabe der Belegungsplanung ist die Zuordnung der Werkzeugsätze zu den Anlagen unter Berücksichtigung technischer und organisatorischer Restriktionen. Die große Zahl von Zuordnungsmöglichkeiten in Kombination mit komplizierten Randbedingungen führt dazu, dass die Belegungsplanung für einen Menschen kaum noch überschaubar ist. Auch aus mathematischer Sicht weist das Problem eine hohe Komplexität auf: es gehört zur Klasse der Assignment-Probleme, für die nachgewiesen wurde, dass sie NP-schwer sind.
Inhalt des Projektes MBOpt ist die Entwicklung einer Software, die für den gesamten Planungszeitraum eine monatsweise Zuordnung der Werkzeugsätze zu den Pressenanlagen berechnet – unter Einhaltung aller Nebenbedingungen. Ziel ist es, die Gesamtkosten zu minimieren. Diese setzen sich zusammen aus den Kosten für Fertigung, Logistik, Fremdbezug und Anlagenwechsel. Eine hohe und gleichmäßige Auslastung der Anlagen sowie ein geringer Bedarf an teurer externer Fertigungskapazität sind Eigenschaften der berechneten Belegungen. Eine Kontinuität im Fertigungsprozess wird durch die festgelegten Nebenbedingungen gewährleistet, beispielsweise durch eine Vorgabe von Mindestzeiten vor einem Anlagenwechsel oder vor einem Wechsel des Schichtmodells.
Die Software ist bei unserem Projektpartner BMW bereits erfolgreich im Einsatz. Sie leistet dort einen erheblichen Beitrag zur Verringerung des Planungsaufwands und ermöglicht so eine höhere Effektivität im Planungsprozess. Insbesondere lässt sich mithilfe von Sensitivitätsanalysen einschätzen, wie sich geringfügige Änderungen der Eingabedaten auf die Lösungsqualität auswirken.
Die Software kombiniert langjährig bewährte Optimierungsverfahren mit modernen Verfahren, die auf den aktuellen wissenschaftlichen Forschungsergebnissen zu Assignment-Problemen basieren.
Die Algorithmen vereinen Elemente aus Tabu Search, Hillclimbing sowie Greedy-Verfahren, die auf das spezielle Problem der langfristigen Maschinenbelegung zugeschnitten sind.
Eine Software-Erweiterung bezieht zusätzlich die frühe Phase der Produktentstehung mit in die Planung ein. Zu diesem Zeitpunkt ist die Entscheidung über die zu realisierende Herstellalternative für ein Pressteil noch nicht gefallen. Somit stehen verschiedene Fertigungskonzepte für die Herstellung der Pressteile zur Auswahl. Mithilfe unserer Software erfolgt die Ermittlung des optimalen Fertigungskonzepts für ein Pressteil unter Berücksichtigung der langfristigen Kapazitätsentwicklung der Presswerke.
Das Problem der Zuordnung von Aufgaben zu Anlagen tritt nicht nur im Zusammenhang mit Fertigungsprozessen auf. Zum Beispiel weisen Transportprobleme große Ähnlichkeit zu Assignment-Problemen auf: Einer Menge von Warenhäusern mit einem Warenangebot einer einzelnen Sorte steht eine Menge von Kunden gegenüber, die einen bestimmten Bedarf an der Ware haben. Zu bestimmen ist, welcher Kunde von welchen Warenhäusern beliefert werden soll, so dass die Summe der Transportkosten minimiert wird.
In diesen Zusammenhang sind auch Projekte zur Logistiksimulation einzuordnen, die sich mit der Modellierung und Simulation von Produktions- und Logistikprozessen beschäftigt.
Derartige Forschungsgebiete könnten auch in Zukunft Projektthemen der Optimierungsgruppe sein.
Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI