Die Entscheidungen, die im Rahmen der operativen Losgrößen- und Reihenfolgeplanung getroffen werden, sind mitunter die wichtigsten im Produktionsprozess, da sich aus Fehlentscheidungen schwerwiegende Konsequenzen für das gesamte Unternehmen ergeben können.
So kann ein zu früh terminiertes Produkt beispielsweise zu hohen Lagerhaltungskosten und damit zu hohen Kapitalbindungskosten, ein zu spät terminiertes Produkt zu verspäteten Lieferungen und somit zu hohen Strafkosten führen.
Schon die Entscheidung hinsichtlich der Losgrößenproblematik, wann, wo, wie und welche Produkte zu welchen Kosten hergestellt werden müssen, um die bestehende bekannte und/oder anonyme Nachfrage zu befriedigen, ist schwierig. Dies wird umso schwieriger, wenn auch noch die Reihenfolgeplanung der Produktionsaufträge auf mehr als einer kapazitierten Ressource oder Produktions- und Materialrestriktionen, wie z.B. Verderblichkeit der Produkte oder Übertragung von Rüstzuständen, einbezogen wird.
Die Forschung im Rahmen der simultanen Losgrößen- und Reihenfolgeplanung ist in den vergangenen Jahren vorangeschritten, jedoch sind die Modelle in praxisrelevanter Größe immer noch nicht mit den gegebenen technischen Mitteln exakt lösbar, so dass sich für diese Problematiken viele Lösungsansätze auf heuristischer Grundlage herausgebildet haben und auch weiterhin eine Basis für weiterführende Forschungsaufgaben bieten.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung und Gang der Untersuchung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung und Gang der Untersuchung
2. Einordnung der Thematik in die Produktionsplanung
3. Analyse simultaner Losgrößen- und Reihenfolgeplanungsmodelle
3.1 Grundlagen der Losgrößen- und Reihenfolgeplanung
3.2 Analyse der simultanen Grundmodelle unter Kapazitätsrestriktionen
3.2.1 Das Economic Lot Scheduling Problem
3.2.2 Das Discrete Lot Sizing and Scheduling Problem
3.2.3 Das Continuous Setup Lot Sizing Problem
3.2.4 Das Proportional Lot Sizing and Scheduling Problem
3.2.5 Das Capacitated Lot Sizing Problem
3.2.5.1 Das Grundmodell des Capacitated Lot Sizing Problem
3.2.5.2 Erweiterung des CLSP um reihenfolgeabhängige Rüstkosten
3.2.6 Das General Lot Sizing and Scheduling Problem und mögliche Erweiterungen
3.3 Analyse der mehrstufigen Modelle unter Kapazitätsrestriktionen
3.3.1 Grundlagen der mehrstufigen Produktionsverfahren
3.3.2 Das Multi-Level Capacitated Lot Sizing Problem
3.3.3 Das General Lot Sizing and Scheduling Problem for multiple Production Stages
3.3.4 Das Multi-Level General Lot Sizing Problem
4. Erweiterungen des Referenzmodells um ausgewählte Sachverhalte
4.1 Übertragung von Rüstzuständen auf Folgeperioden (Setup-Carry-Over)
4.2 Berücksichtigung positiver Transportzeiten
4.3 Produktcharakteristika: Beschränkte Lebensdauer der Produkte bzw. Deterioration
5. Lösungsansätze für die Modelle
5.1 Klassifikation von Lösungsansätzen
5.2 Heuristiken der mathematischen Programmierung
5.2.1 Branch&Bound-Verfahren
5.2.2 Reformulierungen
5.2.3 Gültige Ungleichungen
5.2.4 Weitere ausgewählte Verfahren der mathematischen Programmierung
5.3 Lagrange Heuristiken
5.4 Dekomposition und Aggregation
5.5 Meta-Heuristiken
5.6 Greedy-Verfahren
5.7 Hybride Meta-Heuristiken
5.7.1 Grundlagen der Hybridisierung
5.7.2 Modellierung der mathematischen Programmierung in Form von gültigen Ungleichungen
5.7.3 Memetischer Algorithmus
5.8 Fazit für die Lösungsansätze
6. Modellierung ausgewählter Probleme mit AMPL / CPLEX
6.1 Grundlegendes zu der Modellierung mit AMPL und Beispieldaten
6.2 Analyse einstufiger Modelle
6.3 Analyse mehrstufiger Modelle
6.4 Analyse erweiterter Modelle
6.5 Fazit aus der Modellierung der ausgewählten Probleme mit AMPL / CPLEX
7. Schlussbetrachtung
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die Analyse und Darstellung diskreter Modelle der simultanen, kapazitierten Losgrößen- und Reihenfolgeplanung, um auf deren Basis Lösungsansätze aufzuzeigen und Erweiterungen hinsichtlich spezifischer Produktionsrestriktionen zu diskutieren.
- Methodische Einordnung der simultanen Planung in die operative Produktionsplanung.
- Systematische Analyse einstufiger und mehrstufiger Planungsmodelle.
- Untersuchung von Erweiterungen wie Rüstzustandsübertragung, Transportzeiten und begrenzte Produktlebensdauer.
- Vergleich verschiedener Lösungsalgorithmen, insbesondere mathematischer Programmierung und Meta-Heuristiken.
- Praktische Modellierung ausgewählter Probleme mittels AMPL und dem Solver CPLEX.
Auszug aus dem Buch
1.1 Problemstellung
Die Entscheidungen, die im Rahmen der operativen Losgrößen- und Reihenfolgeplanung getroffen werden, sind mitunter die wichtigsten im Produktionsprozess, da sich aus Fehlentscheidungen schwerwiegende Konsequenzen für das gesamte Unternehmen ergeben können. So kann ein zu früh terminiertes Produkt beispielsweise zu hohen Lagerhaltungskosten und damit zu hohen Kapitalbindungskosten, ein zu spät terminiertes Produkt zu verspäteten Lieferungen und somit zu hohen Strafkosten führen.
Schon die Entscheidung hinsichtlich der Losgrößenproblematik, wann, wo, wie und welche Produkte zu welchen Kosten hergestellt werden müssen, um die bestehende bekannte und/oder anonyme Nachfrage zu befriedigen, ist schwierig. Dies wird umso schwieriger, wenn auch noch die Reihenfolgeplanung der Produktionsaufträge auf mehr als einer kapazitierten Ressource einbezogen wird.
In den Produktionsplanungssystemen der Praxis wird seit Jahrzehnten das Material Requirements Planning (MRP) oder das Manufacture Resource Planning (MRP II) verwendet. Hierbei handelt es sich um Systeme, welche die einzelnen Planungsschritte der Produktionsplanung sukzessive ausführen, wobei die Kapazität erst sehr spät in die Planung einbezogen wird. Der aus dieser Planung resultierende Produktionsplan kann durch die Sukzessivplanung mit sehr hohen Kosten verbunden sein und ist aufgrund der Annahme von unbeschränkten Kapazitäten häufig nicht realisierbar. Daher wird versucht, die einzelnen Planungsschritte simultan zu planen, so dass sich ein realisierbarer und kostenminimaler Produktionsplan ergibt.
Dennoch bilden Simultanplanungen nur begrenzte Alternativen, die zwar theoretisch einen gültigen Produktionsplan erstellen könnten, in der Praxis aber an der Berechenbarkeit der Probleme scheitert, da es sich in der Regel um Problemstellungen handelt, die nicht mehr mit akzeptablem Zeitaufwand optimal gelöst werden können. Zwar ist heute leistungsfähige Software verfügbar, die auf Methoden, wie dem Branch&Bound und dessen Unterarten, wie z.B. dem Branch&Cut basieren, und welche zusammen mit der gestiegenen Rechenkapazität Probleminstanzen lösen kann, die vor ein paar Jahren noch unlösbar gewesen wären, dennoch sind die in der Praxis vorherrschenden Problemgrößen immer noch nicht durchführbar.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung und Gang der Untersuchung: Einführung in die Thematik der Losgrößen- und Reihenfolgeplanung sowie Darstellung der Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit.
2 Einordnung der Thematik in die Produktionsplanung: Theoretische Einbettung der simultanen Planungsansätze in die operative Produktionsplanung und ihre sukzessiven Phasen.
3 Analyse simultaner Losgrößen- und Reihenfolgeplanungsmodelle: Detaillierte Analyse verschiedener einstufiger und mehrstufiger Planungsmodelle unter Berücksichtigung von Kapazitätsrestriktionen.
4 Erweiterungen des Referenzmodells um ausgewählte Sachverhalte: Vorstellung spezifischer Erweiterungen wie Rüstzustandsübertragungen, Transportzeiten und Produktlebensdauer (Deterioration/Perishability).
5 Lösungsansätze für die Modelle: Diskussion mathematischer Programmierungsmethoden, Heuristiken und hybrider Meta-Heuristiken zur Bewältigung der Modellkomplexität.
6 Modellierung ausgewählter Probleme mit AMPL / CPLEX: Praktische Anwendung und Lösung der vorgestellten Modelle anhand von Beispieldaten mittels der Modellierungssprache AMPL.
7 Schlussbetrachtung: Zusammenfassende Bewertung der Modelle, Erkenntnisse aus der praktischen Modellierung und Ausblick auf künftigen Forschungsbedarf.
Schlüsselwörter
Losgrößenplanung, Reihenfolgeplanung, Produktionsplanung, Kapazitätsrestriktionen, Multi-Level Capacitated Lot Sizing Problem, Mathematische Programmierung, Meta-Heuristiken, AMPL, CPLEX, Rüstkosten, Lagerhaltungskosten, Produktionsoptimierung, Diskrete Modelle, Supply Chain Management.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der simultanen Planung von Losgrößen und Reihenfolgen in der operativen Produktion, wobei insbesondere Kapazitätsbeschränkungen und mehrstufige Produktionsverfahren im Vordergrund stehen.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die zentralen Felder umfassen die mathematische Modellierung von Losgrößenproblemen, die Analyse von Kapazitätsrestriktionen, die Berücksichtigung von Erzeugnisstrukturen sowie die Anwendung von Lösungsalgorithmen zur Kostenminimierung.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die systematische Darstellung und Analyse existierender simultaner Modelle sowie die Entwicklung und Erweiterung dieser Modelle für komplexe Produktionsszenarien, um realisierbare und kostenoptimale Pläne zu erstellen.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Es werden Methoden der mathematischen Programmierung (z.B. Branch&Bound, gültige Ungleichungen) sowie diverse heuristische Verfahren und Meta-Heuristiken (z.B. memetische Algorithmen, Tabu Search) analysiert und angewendet.
Welche Inhalte dominieren den Hauptteil?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Analyse verschiedener Modelltypen (DLSP, CSLP, PLSP, CLSP, GLSP und deren mehrstufige Varianten) sowie die Untersuchung von Modell-Erweiterungen und Lösungsansätzen.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind "Simultane Planung", "Kapazitätsrestriktionen", "Mehrstufige Erzeugnisstruktur", "AMPL-Modellierung" sowie diverse spezifische Modellausprägungen wie "Small Bucket" und "Big Bucket".
Wie unterscheidet sich das GLSP von anderen Modellen?
Das GLSP zeichnet sich durch einen zweistufigen Planungshorizont aus, der die Vorteile der "Big Bucket"-Modelle (für Makroperioden) mit denen der "Small Bucket"-Modelle (für Mikroperioden) in einem flexiblen Gesamtrahmen verbindet.
Warum ist die Modellierung von Rüstzustandsübertragungen relevant?
Die Übertragung von Rüstzuständen über Periodengrenzen hinweg (Setup-Carry-Over) reduziert die Notwendigkeit häufiger Umrüstvorgänge, was signifikante Einsparungen bei den Rüstkosten ermöglicht und damit die Gesamtkosten des Produktionsplans senkt.
- Quote paper
- Daniela Wemmel (Author), 2009, Simultane Losgrößen- und Reihenfolgeplanung unter Berücksichtigung von mehrstufigen Produktionsverfahren und Kapazitätsrestriktionen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/155627
