Gehlhoff, Felix

Unternehmen stehen im heutigen globalisierten Markt vor großen Herausforderungen. Die zunehmende Komplexität innerhalb von Produktion und Lieferketten sowie die Notwendigkeit, individualisierte Produkte innerhalb kurzer Zeit zu entwickeln, bringen traditionelle Organisationsformen der Produktion an ihre Gren-zen. Zusätzlich werden die Märkte zunehmend volatil und unsicher, was zu vermehrten Disruptionen und sich verändernder Marktbedingungen aufgrund institutioneller Vorgaben und Kundenpräferenzen führt. Es besteht also ein großer Bedarf nach flexiblen und robusten Organisations- und Steuerungskonzepten, um auf diese Herausforderungen zu reagieren. Industrie 4.0 als neues Produktionsparadigma postuliert die automatisierte und dezentrale Entscheidungsfindung von Produkten und Ressourcen innerhalb der Produk-tion. Dabei entscheiden Produkte und Ressourcen selbstständig, auf Basis digitaler Modelle und Vernet-zung, über die Zuteilung und Bearbeitung der Aufträge und reagieren dabei auch lokal auf Störungen. In-dustrie 4.0 bietet einen Referenzrahmen, um diesen Herausforderungen mittels Digitalisierung und compu-tergestützten Entwicklungen zu begegnen. Digitale Vernetzung von Produkten und Ressourcen ermöglicht die Bildung flexibler Produktionsnetzwerke, die innerhalb eines Unternehmens oder zwischen verschiede-nen Unternehmen entstehen können. Diese Netzwerke können aus einer Vielzahl von Entitäten bestehen, was die Bedeutung der Dezentralität zur Vermeidung von Kommunikationsengpässen, Single-Points-of-Failures und langer Rechenzeiten zentraler Algorithmen noch verstärkt. Da diese Flexibilität innerhalb der Produktion häufig nicht durch starre Förder- und unflexible Steuerungs-systeme abgebildet werden kann, entsteht der Bedarf, die Ressourcen flexibel zu verbinden und zu steuern und gleichzeitig die Skalierbarkeit des Steuerungssystems sicherzustellen. Transportmittel wie Brückenkrä-ne oder Verbünde autonomer mobiler Roboter ermöglichen den flexiblen Transport großer Werkstücke, welche für diese Arbeit aufgrund industrieller Anforderungen der Domänen Luftfahrt und Windenergie von besonderer Relevanz sind. Es besteht die Notwendigkeit, Prozesspläne zu erstellen, die die Flexibilität einer dezentral koordinierten Produktion nutzen können. Zudem müssen die Aufgaben dieser Transport – und Produktionsressourcen integriert geplant werden, um unnötige Stillstandszeiten und Verspätungen zu ver-meiden. Die Prozess- und Ablaufpläne müssen auch Handhabungskompatibilitäten, knappe Pufferungsmög-lichkeiten sowie die Aufrechterhaltung der Planstabilität berücksichtigen. In dieser Arbeit wird ein integrierter Prozess- und Ablaufplanungsansatz für Produktions- und Transportres-sourcen entwickelt. Er umfasst eine skalierbare Architektur sowie entsprechende Algorithmen, welche auf den dezentralen Entitäten ausgeführt werden. Die integrierte Planung und Skalierbarkeit wird durch eine Architektur erreicht, die ein skalierbares Kommunikationsprotokoll und das erforderliche Informationsmo-dell für die Prozess- und Terminplanung bereitstellt. Innerhalb dieser Architektur werden geeignete Algo-rithmen zur Ableitung flexibler Prozesspläne auf Basis eines schnittstellenorientierten Modellierungsansat-zes und zur integrierten Ablaufplanung der verschiedenen Ressourcentypen entwickelt. Darüber hinaus bindet der Ansatz, basierend auf der Abschätzung der Dauer von Störungen, dynamische Ereignisse in die Umplanung mit ein und stellt einen Ansatz zur Kollisionsvermeidung gemeinsam genutzter Ressourcen be-reit. Der Ansatz wird in verschiedenen industriellen Fallstudien validiert und hinsichtlich der Skalierbarkeit, der Ausführungszeit und der Möglichkeit gleichzeitiger Auftragsallokation bewertet. Die Kommunikation skaliert linear und die Koordination eines Auftrages schließt innerhalb weniger hundert Millisekunden ab.

Civil Aircraft development and production are facing significant challenges in future. On the one hand, the flight-path to carbon neutral aviation, like using liquid hydrogen, will require game changing technologies. Simultaneously, competition, especially on the single aisle market, is evolving fast and puts pressure on market shares and margins. The necessity of an adaptable and highly efficient production becomes more evident than ever. One contribution to achieve this goal is the research project “Intelligent Modular Robotics and Integrated Production System Design for Aircraft Manufacturing” (iMOD). Namely, it will analyze challenges regarding (1) an integrated and Digital Twin-based system design approach, (2) flexible and modular robotics to support workers with unergonomic tasks and (3) a flexible intralogistics based on Automated Guided Vehicles (AGVs). Those three aspects will be integrated into an approach that uses semantic technologies to connect the different components across different levels of functionality and different life cycle phases.

© 2020 Gehlhoff and Fay. Small-scale manufacturing often relies on flexible production systems that can cope with frequent changes of products and equipment. Transports are a significant part of the production flow, especially in the domain of large and heavy workpieces that requires explicit planning to avoid unnecessary delays. This contribution takes a detailed look at how to create feasible integrated schedules within a decentralised or even heterarchical architecture and which information the agents have to exchange. These schedules incorporate constraints such as the blocking-constraint. They also consider dynamic setup and operation durations while finding a good-enough solution. The proposed agent-based solution applies to a wide variety of scheduling problems and reveals positive properties in terms of scalability and reconfigurability.

Traditional centrally controlled production and logistics systems of mass production exhibit difficulties to cope with the new reality of frequent changes in manufacturing technology and product design. Agent-based decentralized decision-making can be a means to cope with the complex nature of modern manufacturing systems. This contribution proposes an agent architecture to integrate production and transportation scheduling and process planning. It also incorporates shared resources, such as operators, into the process, which further improves the solution. To be suitable for quick rescheduling, the approach includes an efficient underlying communication protocol. The integrated scheduling of overhead cranes serves as an application example and illustration of the approach. The runtime efficiency of the algorithm makes it suitable for practical applications within manufacturing systems.

Die Koordination komplexer Produktions- und Logistiksysteme ist Gegenstand intensiver Forschung. Gerade im Bereich transportintensiver Kleinserienfertigung sollte zudem ein integrierter Ansatz verfolgt werden, der die Abhängigkeiten zwischen Produktions- und Transportressourcen ausreichend detailliert berücksichtigt. Ein solcher integrierter Ansatz auf Basis von Software-Agenten wird in diesem Beitrag beschrieben. Dabei wird u.a. darauf eingegangen, welche Informationen zur Koordination ausgetauscht werden müssen und wie die Informationen modelliert werden müssen, damit mögliche Fertigungsreihenfolgen ermittelt werden können. Ein weiterer Schwerpunkt des Beitrags ist die Anbindung an und die Interaktion mit weiteren innerbetrieblichen Software-Systemen.

Der Globalisierungsdruck und die steigenden Kundenanforderungen zwingen Unternehmen, ihre Produktionssysteme adaptiv zu halten. In diesem Beitrag stellen wir die Ergebnisse einer Analyse zur Adaptivität von Produktionssystemen sowie Logistikanlagen vor, die auf zwei ver-schiedenen Labordemonstratoren der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg (HSU) und der Technischen Universität München (TUM) basieren. Um die Adaptivität der Demonstratoren zu analysieren, beschreibt der Beitrag eine Metrik zur Bewertung der Wandelbarkeit der Produk-tionssysteme. Diese Metrik basiert auf dem Produkt-Prozess-Ressource-Konzept und analy-siert die aus einzelnen Veränderungstreibern resultierenden notwendigen Änderungen am Produktionssystem. Diese Änderungen wurden je nach Aufwandsabschätzung als flexible An-passung oder notwendige Rekonfiguration kategorisiert. Darüber hinaus stellt der Beitrag die Ergebnisse zweier Evaluationen mit angehenden Ingenieuren und Experten aus der Praxis vor, und vergleicht die jeweiligen Bewertungen der Anlagen.

Shorter product lifecycles and increasing product complexity are important trends that drive the need for increased flexibility of production companies. One way to cope with this problem is to engage in flexible production networks where companies can find missing production capabilities and offer their own ones. To enable this connection across company borders and software platforms, an agent-based communication approach is proposed that is based on the OPC UA standard. This paper also develops an optimization concept that can increase a company's benefits, i.e. profits, by applying a learning algorithm as well as an approach to calculate optimal margins, which is encapsulated in an optimization agent.