DE102021203400A1 - Computer-implemented method and computer program for assembly quantity planning of assembly parts for production optimization of a production system, assembly quantity planning system and production planning and control system - Google Patents
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Abstract
Computerimplementiertes Verfahren zur Montagestückzahlplanung von Montageteilen (m) für eine Produktionsoptimierung eines Produktionssystems (F) umfassend die Schritte: Erhalten von Eingabedaten umfassend Optimalitätskriterien (P1) umfassend Abweichungen des Produktionssystems (F) zu vorgegebenen Reichweitenzielen und/oder Produktionsvorgaben für aus den Montageteilen (m) montierbare Produkte (O1); Optimieren der Abweichungen zu den vorgegebenen Reichweitenziele hinsichtlich Stückzahlen der Montageteile (m), basierend auf den Eingabedaten unter Einhaltung von Einschränkungen (C) des Produktionssystems (F) (O2); Ausgeben einer Information, welche Vorgaben nicht erfüllbar sind, falls die Optimierung nicht erfüllbar ist (O3); anderenfalls Bereitstellen von planungsrelevanten Ausgaben umfassend die Stückzahlen der Montageteile (m), welche die Abweichungen zu den vorgegebenen Reichweitenzielen optimieren (O4).Computer-implemented method for planning the number of assembly parts (m) for production optimization of a production system (F) comprising the steps: Obtaining input data comprising optimality criteria (P1) comprising deviations of the production system (F) from specified range targets and/or production specifications for the assembly parts (m) assembleable products (O1); Optimizing the deviations from the specified range targets in terms of quantities of assembly parts (m), based on the input data while complying with restrictions (C) of the production system (F) (O2); Outputting information about which specifications cannot be met if the optimization cannot be met (O3); otherwise, providing planning-relevant outputs including the number of assembly parts (m), which optimize the deviations from the specified range targets (O4).
Description
Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren und ein Computerprogramm zur Montagestückzahlplanung von Montageteilen für eine Produktionsoptimierung eines Produktionssystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Montagestückzahlplanungssystem und Produktionsplanung und-steuerungssystem.The invention relates to a computer-implemented method and a computer program for planning the number of assembly parts for production optimization of a production system. Furthermore, the invention relates to an assembly quantity planning system and production planning and control system.
Bei der Produktion werden Produkte umfassend Sachgüter und Dienstleistungen basierend auf Produktionsfaktoren umfassend Werkstoffe und Betriebsmittel erstellt. Beispielsweise werden Getriebe produziert. Innerhalb der Getriebeproduktion werden weitere Sachgüter erstellt, beispielsweise Abtriebswellen. Die Produktionsplanung und -steuerung umfassend Montagestückzahlplanung, auch Montagebedarfsplanung genannt, und Reihenfolgeplanung und -steuerung, auch Sequenzierung genannt, optimiert das gesamte Produktionssystem, beispielsweise eine Fabrik.During production, products, including material goods and services, are created based on production factors, including materials and equipment. For example, gears are produced. Additional material goods are created within the gearbox production, for example output shafts. Production planning and control, including assembly quantity planning, also called assembly requirements planning, and sequence planning and control, also called sequencing, optimizes the entire production system, for example a factory.
Derzeit plant ein menschlicher Steuerer die Produktionsabläufe eines bestimmten Produktes, Werkstücks oder Halbfertigteils wie zum Beispiel die Produktion der Abtriebswelle mit oder ohne Unterstützung durch bekannte Optimierungsverfahren. Dabei besteht die Produktion aus mehreren Produktionsabschnitten, die das Teil hintereinander durchlaufen muss. Dazu muss der Steuerer eine Vielzahl von Eingangsgrößen in Betracht ziehen. Die Planung, beispielsweise welche Teile auf welcher Linie/Teillinie zu welchem Zeitpunkt zu produzieren sind, sollte optimal im Hinblick auf eine Vielzahl von Optimalitätskriterien sein. Erschwerend kommt hinzu, dass sich zum einen die Parameter, die die vorhandenen Produktionsabläufe bestimmen, im Zeitverlauf häufig ändern als auch die Optimalitätskriterien. Damit ergibt sich die Notwendigkeit einer häufigen Neuplanung, die allerdings möglichst schnell erfolgen muss, damit die Produktion nicht stillsteht oder suboptimal produziert.Currently, a human controller plans the production processes of a specific product, workpiece or semi-finished part, such as the production of the output shaft, with or without the support of known optimization methods. The production consists of several production stages that the part has to go through one after the other. To do this, the controller must take a large number of input variables into account. The planning, for example which parts are to be produced on which line/part line at what time, should be optimal with regard to a large number of optimality criteria. To make matters worse, on the one hand, the parameters that determine the existing production processes frequently change over time, as do the optimality criteria. This results in the need for frequent replanning, which must be done as quickly as possible, so that production does not stand still or produce suboptimal.
Die deutschen Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen
Derzeit hat ein menschlicher Montageplaner die komplexe Aufgabe, die Montagestückzahlplanung und Montagefolge eines Produkts bestehend aus Variantenreihenfolgen und -anzahl über mehrere Tage zu planen. Diese sogenannte Montagebedarfsplanung geht der Steuerung der Produktionsabläufe voraus. Diese Planung sollte optimal im Hinblick auf eine Vielzahl von Optimalitätskriterien sein. So muss für diese Planung eine Vielzahl von Bedingungen und Einschränkungen betrachtet werden, wie die Abdeckung zum Kunden, die Fabrikkapazität und der Materialfluss, das heißt der Fluss der Teile, die zur Produktion der Montagefolgen benötigt wird. Bei letzterem kommt erschwerend hinzu, dass es sowohl Fabrik-internen Materialfluss von gelieferten Halbfertigteilen über Fabrik-interne Fertigungsschritte zu dem Endprodukt und externen Materialfluss gibt. Für beide Materialflussarten gibt es unterschiedliche Einschränkungen wie maximale Gesamtliefermenge, maximale Menge einer Einzelliefervariante und/oder einer Mischung daraus.Currently, a human assembly planner has the complex task of planning the assembly quantity planning and assembly sequence of a product consisting of variant sequences and number over several days. This so-called assembly requirements planning precedes the control of the production processes. This planning should be optimal in terms of a variety of optimality criteria. Thus, for this planning, a variety of conditions and constraints must be considered, such as coverage to the customer, factory capacity, and material flow, that is, the flow of parts needed to produce the assembly sequences. The latter is made more difficult by the fact that there is both a factory-internal material flow from delivered semi-finished parts to factory-internal production steps to the end product and an external material flow. There are different restrictions for both types of material flow, such as maximum total delivery quantity, maximum quantity of a single delivery variant and/or a mixture of these.
Beispielsweise werden in einer Fabrik täglich mehr als 10.000 Getriebe montiert. Es gibt über 1000 mögliche Hardwarevarianten. Es gibt Getriebekomponenten, die in der Fabrik selbst gefertigt werden, zum Beispiel Mechatronik Komponenten, die von Zulieferern kommen, zum Beispiel Wandler, und eine Mischung davon, zum Beispiel Abtriebswelle. Um diesen Materialfluss stabil zu halten, muss die Getriebestückzahl auf Variantenebene für einen Zeitraum fixiert sein, abhängig vom Liefervorlauf, der beispielsweise mehrere Tage beträgt. Gleichzeitig muss der Montageplaner, der die Montage von Getrieben plant, kurzfristig auf Ereignisse wie verspätete Lieferungen, Stoppmeldungen und/oder Kundenanpassungen reagieren können.For example, more than 10,000 gearboxes are assembled in a factory every day. There are over 1000 possible hardware variants. There are transmission components that are manufactured in the factory, for example mechatronic components that come from suppliers, for example converters, and a mixture of these, for example output shaft. In order to keep this material flow stable, the number of gearboxes at the variant level must be fixed for a period of time, depending on the delivery lead, which can be several days, for example. At the same time, the assembly planner who plans the assembly of gearboxes must be able to react quickly to events such as late deliveries, stop messages and/or customer adjustments.
Der Montagebedarf, in dem voran genannten Beispiel die Menge an Getrieben, die an einem Tag gebaut werden, ermittelt sich aus der technischen Kapazität und der daraus abgeleiteten reellen Kapazität. Die reelle Kapazität ist in der Regel niedriger als die technische Kapazität aufgrund Mitarbeiterverfügbarkeit und möglichen Störgrößen. Der Montagebedarf wird anhand einer Reichweitenstrategie auf die Kunden/Warenempfänger aufgeteilt. Die Reichweitenstrategie gibt an, welche Zielreichweite an Getriebebestand im Lager gehalten werden soll. Zum Beispiel bedeutet 5 Tage Reichweite, dass die Kundenbedarfe der nächsten 5 Tage durch den vorhandenen Bestand gedeckt werden können.The assembly requirements, in the above example the number of gearboxes that are built in one day, is determined from the technical capacity and the real capacity derived from it. The real capacity is usually lower than the technical capacity due to the availability of employees and possible disturbances. The assembly requirement is divided among the customers/goods recipients based on a range of coverage strategy. The range strategy specifies the target range of gearbox inventory to be kept in the warehouse. For example, a range of 5 days means that the customer requirements for the next 5 days can be covered by the available stock.
Aktuell wird der Montagebedarf auf Baugruppenebene, auf der mehrerer Varianten nach Generation, Größe und/oder Kunde zusammengefasst werden, unter den bekannten Materialengpässen für die nächsten 4 Wochen geplant. Diese Planung ist aber zu ungenau. Es gibt Kunden, bei denen eine Baugruppe aus vielen verschiedenen Varianten besteht, die zudem noch stark unterschiedliche Bedarfsmengen haben. Die berechnete Reichweite über die Baugruppe ist somit wenig aussagekräftig: So kann es vorkommen, dass die Reichweite auf Baugruppenebene genau dem Ziel entspricht, einzelne Varianten aber unterdeckt sind. Die Varianten innerhalb einer Baugruppe unterscheiden sich auch in Engpassteilen oder kritischen Ressourcen, also Teilen, für die es eine Einschränkung bei der Liefermöglichkeit gibt, weswegen eine exakte Engpassteilebetrachtung nur auf Baugruppenebene nicht möglich ist.Currently, the assembly requirements at assembly level, on which several variants are summarized by generation, size and/or customer, are planned for the next 4 weeks under the known material bottlenecks. However, this plan is too imprecise. There are customers for whom an assembly consists of many different variants, which also have very different required quantities. The calculated range via the assembly is therefore not very meaningful: It can happen that the range on assemblies level corresponds exactly to the goal, but individual variants are not covered. The variants within an assembly also differ in bottleneck parts or critical resources, i.e. parts for which there is a restriction in terms of delivery, which is why an exact bottleneck part analysis is not possible only at assembly level.
Aufgabe der Erfindung war es, die Montagebedarfsplanung hinsichtlich der oben genannten Probleme zu verbessern und eine Produktionsoptimierung zu erreichen.The object of the invention was to improve the planning of assembly requirements with regard to the problems mentioned above and to achieve production optimization.
Die Gegenstände der Ansprüche 1, 12, 13 und 15 lösen jeweils diese Aufgabe.The objects of
Nach einem Aspekt stellt die Erfindung ein computerimplementiertes Verfahren bereit zur Montagestückzahlplanung von Montageteilen für eine Produktionsoptimierung eines Produktionssystems. Das Verfahren umfasst die Schritte
- • Erhalten von Eingabedaten umfassend Optimalitätskriterien umfassend Abweichungen des Produktionssystems zu vorgegebenen Reichweitenzielen und/oder Produktionsvorgaben für aus den Montageteilen montierbare Produkte;
- • Optimieren der Abweichungen zu den vorgegebenen Reichweitenziele hinsichtlich Stückzahlen der Montageteile, basierend auf den Eingabedaten unter Einhaltung von Einschränkungen des Produktionssystems;
- • Ausgeben einer Information, welche Vorgaben nicht erfüllbar sind, falls die Optimierung nicht erfüllbar ist;
- • anderenfalls Bereitstellen von planungsrelevanten Ausgaben umfassend die Stückzahlen der Montageteile, welche die Abweichungen zu den vorgegebenen Reichweitenzielen optimieren.
- • Obtaining input data including optimality criteria including deviations of the production system from specified range targets and/or production specifications for products that can be assembled from the assembly parts;
- • Optimizing the deviations from the specified range targets in terms of quantities of the assembly parts, based on the input data while adhering to the limitations of the production system;
- • Outputting information about which specifications cannot be met if the optimization cannot be met;
- • Otherwise, providing planning-relevant outputs, including the quantities of the assembly parts, which optimize the deviations from the specified range targets.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Montagestückzahlplanungssystem bereit, das ausgeführt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.According to a further aspect, the invention provides an assembly quantity planning system which is designed to carry out a method according to the invention.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Produktionsplanung und-steuerungssystem bereit, das ein erfindungsgemäßes Montagestückzahlplanungssystem umfasst und ausgeführt, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.According to a further aspect, the invention provides a production planning and control system which comprises an assembly quantity planning system according to the invention and is designed to carry out a method according to the invention.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Computerprogramm bereit zur Montagestückzahlplanung von Montageteilen für eine Produktionsoptimierung eines Produktionssystems. Das Computerprogramm umfasst Befehle, die bewirken, dass ein Computer ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt, wenn das Computerprogramm auf dem Computer läuft.According to a further aspect, the invention provides a computer program for planning the assembly quantity of assembly parts for production optimization of a production system. The computer program includes instructions that cause a computer to carry out a method according to the invention when the computer program runs on the computer.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Definitionen, den Unteransprüchen, den Zeichnungen und der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.Advantageous refinements of the invention result from the definitions, the dependent claims, the drawings and the description of preferred exemplary embodiments.
Die Montagestückzahlplanung wird auch Assembly Quantity Planning genannt, abgekürzt AQP.The assembly quantity planning is also called Assembly Quantity Planning, abbreviated AQP.
Die Eingabedaten sind die für die Montagebedarfsplanung relevanten Daten. Die Daten werden beispielsweise über ein Eingabemodul händisch eingegeben oder automatisiert, beispielsweise mittels NFC, RFID oder Bluetooth Funktechnologien, erhalten. Nach einem Aspekt der Erfindung werden die Eingabedaten bei jeder Durchführung des Verfahrens, das heißt bei jedem Optimierungslauf, erhalten.The input data is the data relevant for assembly requirements planning. The data is entered manually, for example via an input module, or received automatically, for example by means of NFC, RFID or Bluetooth radio technologies. According to one aspect of the invention, the input data are obtained each time the method is carried out, ie each time the optimization is run.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Optimierungslauf jedes Mal angestoßen, wenn sich eine Veränderung der Produktionsparameter ergeben hat. Damit stellt die Erfindung eine adaptive Produktionsoptimierung bereit.According to one aspect of the invention, an optimization run is triggered each time the production parameters have changed. The invention thus provides adaptive production optimization.
Eine andere Ursache ist zum Beispiel eine Veränderung der Gewichtung der unterschiedlichen Optimierungskriterien durch den Montageplaner. Aber auch jede andere Änderung in den Eingabebedingungen führt in der Regel zu einem neuen Anlauf der Montagebedarfsplanung. Damit wird eine optimale Planung der Montagefolgen realisiert.Another cause is, for example, a change in the weighting of the different optimization criteria by the assembly planner. But every other change in the input conditions usually leads to a new start of assembly requirement planning. This enables optimal planning of the assembly sequences to be implemented.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Montageplaner zumindest in der Montagebedarfsplanung und einer anschließenden Sequenzierung zur Bestimmung der Reihenfolge unterstützt. Nach einem Aspekt der Erfindung führt das erfindungsgemäße Verfahren die Montagebedarfsplanung und die Sequenzierung automatisiert oder autonom durch.The method according to the invention supports the assembly planner at least in the assembly requirements planning and subsequent sequencing to determine the sequence. According to one aspect of the invention, the method according to the invention carries out the assembly requirements planning and the sequencing in an automated or autonomous manner.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Gesamtkostenfunktion des Produktionssystems minimiert zur Optimierung der Abweichungen zu den vorgegebenen Reichweitenziele. Nach einem Aspekt der Erfindung umfasst die Gesamtkostenfunktion Kosten für Abweichung zur festgelegten Reichweite pro Warenempfänger und Material. Die Gewichtung der Abweichung, also wie stark die Abweichung in die Kosten eingeht, kann in Intervallen angegeben werden, zum Beispiel Kostenfaktor 1 für Abweichung bis 1 Tag und Kostenfaktor 10 für Abweichung von mehr als 1 Tag. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Gesamtkostenfunktion Kosten für Abweichungen zur Produktionsvorgabe. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Gesamtkostenfunktion Kosten für Abweichungen zur vorherigen Planung. Zum reibungslosen Produktionsablauf ist es wichtig, die Summe der Engpassteile und kritischen Ressourcen über den Kurzfristhorizont konstant zu halten, da sich interne und externe Lieferanten kurzfristige Änderungen nicht umsetzen können. Die Erfindung schlägt vor, mittelfristige Abweichungen zu minimieren. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Gesamtkostenfunktion Kosten aus anderen Produktionsgütefunktionen, wie zum Beispiel Rüstkosten, Losgrößen und Nivellierung. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Gesamtkostenfunktion alle der voran genannten Bestandteile oder eine Kombination aus einer Auswahl von speziellen dieser Bestandteile.According to one aspect of the invention, an overall cost function of the production system is minimized in order to optimize the deviations from the specified range targets. According to one aspect of the invention, the total cost function includes costs for deviation from the specified range per goods recipient and material. The weighting of the deviation, i.e. how much the deviation is included in the costs, can be specified in intervals, for
Da es mehrere Lösungen mit den optimalen Kosten geben kann, werden nach einem Aspekt der Erfindung alle diese Lösungen zurückgegeben. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die N besten Lösungen zurückgegeben für einen Parameter N, zum Beispiel N=10.Since there can be multiple optimal cost solutions, one aspect of the invention returns all of those solutions. According to another aspect of the invention, the N best solutions are returned for a parameter N, for example N=10.
Die bereitgestellten planungsrelevanten Ausgaben umfassen die Daten, die das Produktionssystem benötigt zur Regelung und/oder Steuerung des Produktionsprozesses und die in der Sequenzierung weiterverarbeitet werden. Nach einem Aspekt der Erfindung umfassen die planungsrelevanten Ausgabe
- • Menge von zu bauendem Material pro Warenempfänger für alle in der Eingabe festgelegten Zeiträume, beispielsweise Stunde, Schicht, Tag;
- • Menge und Umfang von Lieferungen für Teile, die zur Produktion verwendet werden, umfassend interne und externe Lieferungen;
- • Zuordnung von fertig gebautem Bestand zu Warenempfänger.
- • Amount of material to be built per ship-to party for all time periods defined in the input, eg hour, shift, day;
- • Quantity and scope of supplies for parts used in production, including internal and external supplies;
- • Allocation of completed stock to ship-to party.
Wenn es keine Lösung gibt, wird erfindungsgemäß eine Begründung, welche Vorgaben zusammen nicht erfüllbar sind, an den Montageplaner zurückgegeben. Dieser kann anschließend das Problem beheben und das erfindungsgemäße Verfahren, das erfindungsgemäße Montagestückzahlplanungssystem oder das erfindungsgemäße Produktionsplanung und-steuerungssystem mit geänderten Parametern neu starten.If there is no solution, according to the invention, a reason as to which specifications cannot be met together is returned to the assembly planner. The latter can then rectify the problem and restart the method according to the invention, the planning system for the number of assembly parts according to the invention or the production planning and control system according to the invention with changed parameters.
Als Ergebnis liefert die Erfindung alle planungsrelevanten Informationen, wie eine optimale Montageplanung bezüglich gegebener Gesamtkostenfunktion, Liefermengen und Zuordnung von Bestand zu Warenempfänger, und Regelungs- und/oder Steuerungssignale, mit denen basierend auf diesen Informationen der Montageplaner und/oder das Montagestückzahlplanungssystem oder das Produktionsplanung und - steuerungssystem den Produktionsprozess regeln und/oder steuern. Beispielsweise ändert der Montageplaner anhand dieses Ergebnisses die Eingaben, oder er gibt die Planung für die Umsetzung in der Fabrik frei.As a result, the invention provides all planning-relevant information, such as optimal assembly planning with regard to the given total cost function, delivery quantities and assignment of stock to goods recipient, and regulation and/or control signals, which the assembly planner and/or the assembly quantity planning system or the production planning and - control system regulate and/or control the production process. For example, the assembly planner uses this result to change the entries, or he releases the planning for implementation in the factory.
Die Erfindung ermöglicht eine Produktionsplanung und Produktionsregelung und/oder-steuerung unter komplexen, sich über einen Horizont ändernden Produktionsbedingungen basierend auf der erfindungsgemäßen Montagestückzahlplanung. Beispielsweise sind erfindungsgemäß langfristige stabile Materialflüsse planbar mit gleichzeitig flexibler und schneller Reaktion auf Produktionsänderungen. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgabe von Begründungen von negativen Erfüllbarkeitsprüfungen ist eine signifikante Verbesserung gegenüber bekannten Optimierungsverfahren basierend auf Constraint Optimization, da fehlerhafte oder inkonsistente Eingaben mit einer detaillierten Begründung zurückgewiesen werden.The invention enables production planning and production regulation and/or control under complex production conditions that change over a horizon based on the assembly quantity planning according to the invention. For example, according to the invention, long-term stable material flows can be planned with a flexible and rapid reaction to production changes at the same time. The advantage of the inventive output of reasons for negative satisfiability checks is a significant improvement over known optimization methods based on constraint optimization, since incorrect or inconsistent inputs are rejected with a detailed reason.
Das Montagestückzahlplanungssystem und das Produktionsplanung und-steuerungssystem umfassen Hardware- und/oder Softwaremodule zur Steuerung des Produktionssystems, beispielsweise einer Fabrik. Die Hardwaremodule umfassen Multiprozessor-Systems-on-Chip, Zentralprozessoren und/oder auf Graphikprozessoren basierende Hardwarebeschleuniger, Speichereinheiten und Konnektivitätselemente. Nach einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Produktionssystem, beispielsweise eine Fabrik, eine Privat Cloud Infrastruktur, eine Public Cloud Infrastruktur oder eine Hybrid Cloud Infrastruktur. Das Montagestückzahlplanungssystem und das Produktionsplanung und-steuerungssystem werden jeweils als Funktionssoftware in einer dieser Cloud Infrastrukturen ausgeführt. Die Maschinen, Produktionsabschnitte und Produktionslinien des Produktionssystems umfassen Sensoren, die über Internet of Things Technologie mit dem Montagestückzahlplanungssystem und dem Produktionsplanung und-steuerungssystem Daten übertragend verbunden sind und mit diesen Daten austauschen. Damit kann ein automatisierter oder autonomer Betrieb des Produktionssystems realisiert werden.The assembly quantity planning system and the production planning and control system include hardware and/or software modules for controlling the production system, for example a factory. The hardware modules include multiprocessor systems-on-chip, central processors and/or graphics processor-based hardware accelerators, memory units, and connectivity elements. According to one aspect of the invention, a production system, for example a factory, includes a private cloud infrastructure, a public cloud infrastructure or a hybrid cloud infrastructure. The assembly quantity planning system and the production planning and control system are each executed as functional software in one of these cloud infrastructures. The machines, production sections and production lines of the production system include sensors that are communicatively connected to and exchange data with the assembly quantity planning system and the production planning and control system via Internet of Things technology. This allows automated or autonomous operation of the production system to be implemented.
Die Befehle des erfindungsgemäßen Computerprogramms umfassen Maschinenbefehle, Quelltext oder Objektcode geschrieben in Assemblersprache, einer objektorientierten Programmiersprache, beispielsweise C++, oder in einer prozeduralen Programmiersprache, beispielsweise C. Das Computerprogramm ist nach einem Aspekt der Erfindung ein Hardware unabhängiges Anwendungsprogramm, das beispielsweise über einen Datenträger oder ein Datenträgersignal mittels Software Over The Air Technologie bereitgestellt wird.The instructions of the computer program according to the invention include machine instructions, source text or object code written in assembly language, an object-oriented programming language, for example C++, or in a procedural programming language, for example C. According to one aspect of the invention, the computer program is a hardware-independent application program which, for example, has a data carrier or a data carrier signal is provided using Software Over The Air technology.
Nach einem Aspekt der Erfindung basieren das erfindungsgemäße Verfahren, das Montagestückzahlplanungssystem, das Produktionsplanung und -steuerungssystem und/oder das Computerprogramm auf künstlicher Intelligenz.According to one aspect of the invention, the method according to the invention, the assembly quantity planning system, are based on production planning and control system and/or the computer program based on artificial intelligence.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass Montagefolgen nicht mehr manuell, beispielsweise per Excel, geplant werden müssen, sondern automatisiert, insbesondere mit Maschinenlernalgorithmen, erstellt werden können, auch mit mehreren 100 Umplanungen täglich. Beispielsweise werden pro Tag 10.000 Getriebe in die Montagefolge eingeplant, bei einer Varianz von 300 unterschiedlichen Hardware-Stücklisten und 100 Warenempfänger auf der ganzen Welt. Die Erfindung erstellt die dafür nötigen Montagebedarfe, auch unter Einhaltung einer Vielzahl von Nebenbedingungen und Restriktionen, zum Beispiel bedingt durch kurzfristige Materialengpässe, Anforderungen an Flexibilität und Varianz.The invention has the advantage that assembly sequences no longer have to be planned manually, for example using Excel, but can be created automatically, in particular with machine learning algorithms, even with several 100 replannings per day. For example, 10,000 gearboxes are scheduled in the assembly sequence every day, with a variance of 300 different hardware parts lists and 100 goods recipients all over the world. The invention creates the necessary assembly requirements, also in compliance with a large number of secondary conditions and restrictions, for example due to short-term material shortages, requirements for flexibility and variance.
Nach einem Aspekt der Erfindung umfassen die Eingabedaten
- • Randbedingungen umfassend fixierte Stückzahlen der Montageteile und/oder Planungshorizonte;
- • Produktionsparameter umfassend Arbeitersituation, Maschinenfähigkeiten, Materialverfügbarkeiten, Lager-, Pufferbestände und/oder Lieferantenkapazitäten;
- • Bedarfe umfassend zu vorgegebenen Zeitpunkten bereitzustellende Produktvarianten, Gewichtungen und/oder Priorisierungen zu produzierender Teile;
- • Daten des Produktionssystems umfassend Anzahl von Produktionsabschnitten, Produktionslinien und/oder Puffer;
- • Boundary conditions including fixed numbers of assembly parts and/or planning horizons;
- • Production parameters including worker situation, machine skills, material availability, stock, buffer stocks and/or supplier capacities;
- • Requirements for product variants, weightings and/or prioritization of parts to be produced that are to be provided comprehensively at specified times;
- • Production system data including number of production sections, production lines and/or buffers;
Die Randbedingungen sind fix einzuhalten für einen zu startenden Optimierungslauf. Die Randbedingungen können nach einem Aspekt der Erfindung von dem Montageplaner noch mal verändert werden.The boundary conditions must be adhered to for an optimization run to be started. According to one aspect of the invention, the boundary conditions can be changed again by the assembly planner.
Der Planungshorizont gibt beispielsweise an, über wie viele Stunden, Schichten und/oder Tage die Montagebedarfsplanung vorgeplant werden soll.The planning horizon specifies, for example, over how many hours, shifts and/or days the assembly requirements planning should be preplanned.
Die Arbeitersituation umfasst die Arbeiterbelegung, das heißt wie viele Arbeiter sind oder werden benötigt auf welcher Linie zu welcher Schicht.The worker situation includes the worker occupancy, that is, how many workers are or are needed on which line for which shift.
Die Bedarfe umfassen Produktvarianten, die zu einem gegebenen Zeitpunkt zum Versand verfügbar sein müssen.The requirements include product variants that must be available for shipping at a given point in time.
Durch die zeitlich unterschiedliche Gewichtungen kann beispielsweise die Reichweitenstrategie in einem oder mehreren Zeitpunkten/Zeitspannen unterschiedlich gewichtet werden. Die Gesamtkostenfunktion GK hat beispielsweise folgenden Aufbau: GK = α_1*Reichweitenabweichung+β_1*Produktionsvorgabenabweichung+γ_1*Rüstzeiten+...+α_n*Reichweitenabweichung+β_n*Produktionsvorgabenabweichung +γ_n*Rüstzeiten, wobei α_i≥0,β_i≥0,γ_i≥0 eine Gewichtung der verschiedenen Teilterme über die Zeiträume 1,...,n darstellt und variabel ist.The weightings that differ over time can, for example, weight the range strategy differently in one or more points in time/periods of time. The total cost function GK has the following structure, for example: GK = α_1*range deviation+β_1*production specification deviation+γ_1*setup times+...+α_n*range deviation+β_n*production specification deviation +γ_n*setup times, where α_i≥0,β_i≥0,γ_i≥0 one weighting of the various partial terms over the
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden basierend auf den Eingabedaten ein Modell für die Einschränkungen des Produktionssystems und ein Modell für eine Optimierungsfunktion erstellt. Das Modell für die Einschränkungen wird in ein Entscheidungsproblem basierend auf SMT - Satisfiability Modulo Theories - formuliert und ein SMT-Löser prüft eine Erfüllbarkeit der Einschränkungen. Falls die Einschränkungen erfüllbar sind, werden das Modell für die Einschränkungen und das Modell für die Optimierungsfunktion in ein Optimierungsproblem basierend Linear Programming umfassend MILP - Mixed Integer Linear Programming - oder auf CP - Constraint Programming - formuliert und ein MILP- oder CP-Löser bestimmt eine Lösung, welche die Einschränkungen erfüllt und einen global optimalen Wert in der Optimierungsfunktion hat.According to a further aspect of the invention, a model for the constraints of the production system and a model for an optimization function are created based on the input data. The model for the constraints is formulated into a decision problem based on SMT - Satisfiability Modulo Theories - and an SMT solver checks the satisfiability of the constraints. If the constraints are satisfiable, the model for the constraints and the model for the optimization function are formulated into an optimization problem based on Linear Programming involving MILP - Mixed Integer Linear Programming - or on CP - Constraint Programming - and a MILP or CP solver determines a Solution that satisfies the constraints and has a globally optimal value in the optimization function.
Durch das Modell für die Einschränkungen, auch Constraint System genannt, wird zunächst herausgefunden, ob die Einschränkungen erfüllbar sind. Zusätzlich können mögliche Lösungen von Interesse sein. Das Modell der Einschränkungen hat genau dann eine Lösung, wenn ein Montagebedarf existiert, der die Einschränkungen erfüllt. Die Fragen nach der Erfüllbarkeit von Einschränkungen und nach konkreten Lösungen sind eng miteinander verbunden. Ist eine Einschränkung erfüllbar, so gibt es mindestens eine Lösung. Allerdings gestaltet sich die Berechnung einer Lösung oft komplizierter als die Feststellung der Erfüllbarkeit.The model for the restrictions, also known as the constraint system, first finds out whether the restrictions can be fulfilled. In addition, possible solutions may be of interest. The constraints model has a solution if and only if there is an assembly need that satisfies the constraints. The questions of whether restrictions can be met and concrete solutions are closely linked. If a constraint can be satisfied, then there is at least one solution. However, the calculation of a solution is often more complicated than the determination of the feasibility.
Damit kann beispielsweise relativ schnell festgestellt werden, ob eine Einschränkung nicht erfüllbar ist und in diesem Fall dem Montageplaner schnell eine Begründung gegeben werden, welche Vorgaben zusammen nicht erfüllbar sind. Beispielsweise fixiert der Montageplaner die Montagemenge von 100 Teilen eines Materials. Aufgrund von Lieferrestriktionen können aber nur 50 Teile gebaut werden. In diesem Fall ist der Grund die Kombination aus fixierter Montagemenge und die Lieferrestriktion. Zur Berechnung dieser Erklärung verwendet die erfindungsgemäße Montagestückzahlplanung ein Lösungsverfahren auf Basis der Satisfiability Modulo Theories.For example, it can be determined relatively quickly whether a restriction cannot be met and, in this case, the assembly planner can quickly be given a reason as to which specifications cannot be met together. For example, the assembly planner fixes the assembly quantity of 100 parts of a material. However, due to delivery restrictions, only 50 parts can be built. In this case, the reason is the combination of the fixed assembly quantity and the delivery restriction. To calculate this declaration, the number of assembly planning according to the invention uses a solution method based on the satisfiability modulo theories.
Das Formulieren des Modells für die Einschränkungen in ein Entscheidungsproblem oder ein Optimierungsproblem bedeutet, dass logische Operatoren aus dem Constraint System für eine Anwendung des Zielverfahrens, hier Satisfiability Modulo Theories, abgekürzt SMT, oder Mixed Integer Linear Programming, abgekürzt MILP, oder Constraint Programming, abgekürzt CP, umformuliert werden.Formulating the model for the constraints in a decision problem or an optimization problem means using logical operators from the constraint system for an application of the target method, here Satisfiability Modulo Theories, abbreviated SMT, or Mixed Integer Linear Programming, abbreviated MILP, or Constraint Programming CP, to be rephrased.
Satisfiability Modulo Theories sind auf den Gebieten Computerwissenschaften und mathematische Logik allgemein bekannt. Das SMT-Lösungsverfahren ermöglicht eine vorteilhafte Feststellung von nicht erfüllbaren Einschränkungen, auch Unsatisfiable Cores bzw. Unsatisfiable Assumptions genannt. Hierbei werden nicht änderbare Einschränkungen wie Linienkapazität, fixierte Montagemengen und/oder Materiallieferungen als Annahmen an den SMT-Löser übergeben. Wenn das Constraint System nicht erfüllbar ist, liefert der SMT-Löser eine Teilmenge dieser Annahmen zurück, die zur Unerfüllbarkeit geführt haben (Unsatisfiable Assumptions). In einem nachgelagerten Schritt werden aus diesen Annahmen Begründungen für den Montageplaner und ggf. Handlungsempfehlungen erstellt. Prinzipiell kann für diesen Schritt auch ein alternatives Lösungsverfahren verwendet werden, so lange es die Möglichkeit bietet, Unsatisfiable Cores bzw. Unsatisfiable Assumptions zu generieren. SMT-Löser, auch SMT-Solver genannt, sind als Open Source Software oder als proprietäre Softwarte erhältlich. Der SMT-Löser führt eine Erfüllbarkeitsprüfung durch. Nach einem Aspekt der Erfindung ist der SMT-Löser ein Z3 Theorem Prover SMT-Solver, der auf Linux, Mac OS und Windows Betriebssystem ausgeführt werden kann und als Open Source Software in Quellcode unter der MIT Lizenz erhältlich ist.Satisfiability modulo theories are well known in the fields of computer science and mathematical logic. The SMT solution method enables an advantageous determination of constraints that cannot be fulfilled, also known as unsatisfiable cores or unsatisfiable assumptions. Here, non-changeable restrictions such as line capacity, fixed assembly quantities and/or material deliveries are passed to the SMT solver as assumptions. If the constraint system is unsatisfiable, the SMT solver returns a subset of those assumptions that led to the unsatisfiable assumptions. In a subsequent step, these assumptions are used to create justifications for the assembly planner and, if necessary, recommendations for action. In principle, an alternative solution method can also be used for this step, as long as it offers the possibility of generating unsatisfiable cores or unsatisfiable assumptions. SMT solvers, also known as SMT solvers, are available as open source software or as proprietary software. The SMT solver performs a satisfiability check. According to one aspect of the invention, the SMT solver is a Z3 Theorem Prover SMT solver executable on Linux, Mac OS and Windows operating systems and is available as open source software in source code under the MIT License.
MILP/CP-Verfahren haben den Vorteil, dass sie ein globales Minimum relativ schnell finden. Der MILP/CP-Löser, auch MILP/CP-Solver genannt, ist dann in der Lage, aus dem gegebenen Constraint System und der Optimierungsfunktion die Lösung zu bestimmen, welche das Constraint System erfüllt und einen global optimalen Wert in der Optimierungsfunktion hat. Die Lösung beinhaltet alle planungsrelevanten Informationen. Die optimale Lösung gibt die Montagebedarfe an. Beispielsweise ist in der kommerziellen Software Matlab Mixed-Integer Linear Programming durch den Programmbefehl intlinprog(f,intcon,A,b) implementiert.MILP/CP methods have the advantage that they find a global minimum relatively quickly. The MILP/CP solver, also known as the MILP/CP solver, is then able to use the given constraint system and the optimization function to determine the solution that satisfies the constraint system and has a globally optimal value in the optimization function. The solution contains all planning-relevant information. The optimal solution specifies the assembly requirements. For example, in the commercial software Matlab Mixed-Integer Linear Programming is implemented by the program command intlinprog(f,intcon,A,b).
Nach einem Aspekt der Erfindung bilden das Constraint System, die Erfüllbarkeitsprüfung basierend auf SMT-Lösungsverfahren und die Optimierung basierend auf MILP/CP-Verfahren eigenständige Softwaremodule oder ein Gesamtsoftwaremodul des Assembly Quantity Planning Systems. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden das Constraint System und die Erfüllbarkeitsprüfung parallel ausgeführt, beispielsweise auf einer Hardwarearchitektur für parallelisiertes Rechnen, beispielsweise Graphikprozessoren.According to one aspect of the invention, the constraint system, the satisfiability check based on SMT solution methods and the optimization based on MILP/CP methods form independent software modules or an overall software module of the assembly quantity planning system. According to a further aspect of the invention, the constraint system and the satisfiability test are carried out in parallel, for example on a hardware architecture for parallelized computing, for example graphics processors.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfassen die Einschränkungen des Produktionssystems Einhaltungen von Kapazitäten von Produktionslinien des Produktionssystems und die Stückzahlen der Montageteile auf den Produktionslinien werden für vorgegebene Produkte unter Einhaltung der jeweiligen Linienkapazitäten optim iert.According to a further aspect of the invention, the limitations of the production system include compliance with capacities of production lines of the production system and the number of assembly parts on the production lines are optimized for specified products while maintaining the respective line capacities.
Beispielsweise umfasst das Constraint System die Variable xm,l,c, das heißt Anzahl Material m auf Produktionslinie I für Kunde c, wobei m, I und c variabel sind. Die Einschränkung lautet beispielsweise, dass für alle Produktionslinien I gilt:
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden Reichweiten, Bestände, Anteile von Bestandteilen einer Optimierungsfunktion an einem Gesamtergebnis und/oder Kosten der Abweichungen als Ausgaben bereitgestellt oder Reichweiten, Bestände, ein zeitlicher Verlauf der Reichweiten und/oder Bestände, und/oder Anteile von Bestandteilen einer Optimierungsfunktion an einem Gesamtergebnis und Kosten der Abweichungen über Zeitintervalle werden als Ausgaben bereitgestellt. Diese Ausgaben erhöhen die Erklärbarkeit des Ergebnisses, beispielsweise warum wurde welche Menge wie eingeplant. Ferner können diese Ausgaben dem Montageplaner die Bewertung des Optimierungsergebnisses oder der Optimierungsparameter verbessern.According to a further aspect of the invention, ranges, stocks, proportions of components of an optimization function in an overall result and/or costs of the deviations are provided as outputs or ranges, stocks, a chronological progression of the ranges and/or stocks, and/or proportions of components of a Optimization function on an overall result and costs of the deviations over time intervals are provided as outputs. These outputs increase the ability to explain the result, for example why what quantity was planned and how. Furthermore, these outputs can improve the assessment of the optimization result or the optimization parameters for the assembly planner.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die planungsrelevanten Ausgaben sequenziert zur Optimierung von Montagefolgen und/oder Produktionssequenzen, wobei
- • Materialbedarfe in Produktionsabschnitten des Produktionssystems optimiert geordnet werden;
- • einer der optimierten Materialbedarfe ausgewählt und auf Materialien in vorausgehenden Produktionsabschnitten, die für die Produktion in dem Produktionsabschnitt des ausgewählten Materialbedarfs benötigt werden, projiziert wird;
- • zumindest eine Bedarfsmenge und/oder ein Bedarfszeitpunkt der jeweiligen Materialien angepasst werden;
- • Produktionslinien des Produktionssystems basierend auf zumindest der angepassten Bedarfsmenge und/oder des Bedarfszeitpunktes geregelt und/oder gesteuert werden;
- • in einer Überprüfung überprüft wird, ob die angepasste Bedarfsmenge der jeweiligen Materialien für den ausgewählten Materialbedarf ausreichend ist, wobei bei positiver Überprüfung die jeweiligen Materialien für das Produktionssystem reserviert werden, und/oder der ausgewählte Materialbedarf ausgeführt wird.
- • Material requirements in production sections of the production system are arranged in an optimized manner;
- • one of the optimized material requirements is selected and projected onto materials in previous production stages that are required for production in the production stage of the selected material requirement;
- • at least one required quantity and/or a required time of the respective materials are adjusted;
- • Production lines of the production system are regulated and/or controlled based at least on the adjusted required quantity and/or the required time;
- • A check is carried out to determine whether the adjusted required quantity of the respective materials is sufficient for the selected material requirements, with the respective materials being reserved for the production system if the check is positive, and/or the selected material requirements being executed.
Die Materialbedarfs umfassen Materialarten oder -typen. Materialarten umfassen Rohstoffe, beispielsweise Eisen, Hilfsstoffe, beispielsweise Schrauben, Betriebsstoffe, beispielsweise Energie, unfertige Erzeugnisse, beispielsweise vormontierte Einbauteile, die noch zusammengesetzt werden müssen, Fertigerzeugnisse, beispielsweise versandfertige Endprodukte und Handelswaren. Optimierte Materialbedarfe optimieren eine Gesamtkostenfunktion des Produktionssystems. Die Gesamtkostenfunktion bestimmt die kostenminimale Produktionsabläufe aus den technisch effizienten Produktionsprozessen. Bei der Kostenfunktion werden die Gesamtkosten eines Produktionsprozesses dargestellt, die von den eingesetzten Produktionsfaktoren herrühren, die mit ihren jeweiligen Marktpreisen oder Gewichtungen multipliziert werden. Beispielsweise wird die Gesamtkostenfunktion definiert aus: Bedarfserfüllung: Verspätungszeit, mit Gewichtung pro Bedarf; Produktionsauslastung: Zeiten mit Produktionsstillstand und/oder Produktionsnebenbedingungen: Transport zwischen Linien, Rüstzeiten.The material requirements include material types or categories. Material types include raw materials, such as iron, auxiliary materials, such as screws, supplies, such as energy, work in progress, such as pre-assembled components that still need to be assembled, finished goods, such as finished products ready for shipment, and merchandise. Optimized material requirements optimize an overall cost function of the production system. The total cost function determines the cost-minimum production processes from the technically efficient production processes. The cost function represents the total cost of a production process resulting from the inputs used multiplied by their respective market prices or weights. For example, the total cost function is defined as: Demand Fulfillment: Time of delay, weighted per demand; Production utilization: times with production downtime and/or production ancillary conditions: transport between lines, set-up times.
Sequenzierung oder Sequenzplanung, auch Sequencing And Scheduling genannt, umfasst in der Produktionsplanung die Bildung einer Fertigungsreihenfolge von Produktionsaufträgen.In production planning, sequencing or sequence planning, also known as sequencing and scheduling, includes the formation of a production sequence for production orders.
Nach Durchlauf dieser Sequenzierung liefert das Verfahren regelungs- und/oder steuerungsrelevante Signale umfassend Signale für Produktionssequenzen, Arbeiterbelegungen und Lieferantenaufträge, beispielsweise
- • Optimierte Produktionssequenz: Welches Material wird auf welcher Linie zu welcher Zeit benötigt?
- • Arbeiterbelegung: Wie viele Arbeiter sind oder werden benötigt auf welcher Linie zu welcher Schicht?
- • Lieferantenaufträge: Welches und wie viel zugeliefertes Material ist zu welcher Zeit verfügbar?
- • Optimized production sequence: Which material is needed on which line and when?
- • Worker occupancy: How many workers are or are needed on which line for which shift?
- • Supplier orders: Which and how much delivered material is available at what time?
Die Sequenzierung für eine adaptierte Produktionsoptimierung ist in der deutschen Patentanmeldungen mit dem Aktenzeichen
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Montagestückzahlplanung, das Produktionssystem, eine Produktionsplanung und -steuerung simuliert und in der Simulation
- • die Produktionslinien in Abhängigkeit zumindest der angepassten Bedarfsmenge und/oder des Bedarfszeitpunktes geregelt und/oder gesteuert;
- • die Materialbedarfs ordnungsgemäß ausgewählt;
- • in einer Überprüfung überprüft, ob die angepasste Bedarfsmenge der jeweiligen Materialien für den jeweils ausgewählten Materialbedarf ausreichend ist, wobei bei positiver Überprüfung die jeweiligen Materialien für das Produktionssystem reserviert werden, und/oder der ausgewählte Materialbedarf ausgeführt wird, und ein weiterer Materialbedarf ordnungsgemäß ausgewählt wird.
- • regulated and/or controlled the production lines depending at least on the adjusted required quantity and/or the required time;
- • the material needs properly selected;
- • Checks in a check whether the adjusted requirement quantity of the respective materials is sufficient for the respectively selected material requirement, whereby if the check is positive, the respective materials are reserved for the production system and/or the selected material requirement is executed and another material requirement is properly selected .
Die Simulation ist nach einem Aspekt der Erfindung ein detailgetreues Abbild der gesamten Produktion. In der Simulation werden vorhandene Probleme bei der Umsetzung der Montagebedarfe ersichtlich, zum Beispiel durch den Einfluss von Faktoren, die in der Mengenplanung nicht berücksichtigt werden. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden interne Lieferungen als Simulation der entsprechenden Produktionsabschnitte dargestellt. Dadurch wird die Machbarkeit des Produktionsplans mit allen Einflüssen und Einschränkungen der gesamten Fabrik ermittelbar. Durch die Simulation wird die erreichte Optimierung und damit das gesamte Produktionssystem an Produktionsänderungen vorteilhafterweise adaptiert.According to one aspect of the invention, the simulation is a detailed image of the entire production. In the simulation, existing problems in the implementation of the assembly requirements become apparent, for example due to the influence of factors that are not taken into account in the quantity planning. According to a further aspect of the invention, internal deliveries are represented as a simulation of the corresponding production sections. This makes it possible to determine the feasibility of the production plan with all the influences and restrictions of the entire factory. Through the simulation, the optimization achieved and thus the entire production system is advantageously adapted to production changes.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Simulation folgende Schritte:
- • Durchführen eines ersten Subverfahrens und eines zweiten Subverfahrens, wobei
- • das erste Subverfahren die Schritte
- ◯ Priorisieren von Materialbedarfen in den Produktionsabschnitten in Abhängigkeit einer Einwirkung auf eine Optimierung einer Kostenfunktion des Produktionssystems;
- ◯ Auswählen eines der Materialbedarfe in Reihenfolge der Priorisierung, Anpassen von zumindest einer Bedarfsmenge und/oder eines Bedarfszeitpunktes von Materialien in vorausgehenden Produktionsabschnitten zur Ausführung des Materialbedarfs und Reservieren der Materialien und der jeweils angepassten Bedarfsmenge und/oder des Bedarfszeitpunktes;
- ◯ Auswählen eines weiteren der Materialbedarfe, Wiederholen der vorangehenden Schritte, bis für alle der priorisierten Materialbedarfe die Materialien und die jeweils angepassten Bedarfsmengen und/oder Bedarfszeitpunkte reserviert sind, und Erhalten der Produktionssequenz; und
- • das zweite Subverfahren die Schritte
- ◯ Fixieren eines ersten Produktionszeitraums in der Produktionssequenz;
- ◯ Optimieren der Produktionssequenz außerhalb des fixierten ersten Produktionszeitraums zur weiteren Optimierung der Kostenfunktion
- • das Produktionssystem gemäß der in dem zweiten Subverfahren erhaltenen optimierten Produktionssequenz geregelt und/oder gesteuert wird.
- • performing a first sub-method and a second sub-method, where
- • the first sub-procedure the steps
- ◯ prioritization of material requirements in the production sections depending on an impact on an optimization of a cost function of the production system;
- ◯ Selecting one of the material requirements in order of prioritization, adjusting at least one requirement quantity and/or one Requirement time of materials in previous production sections for the execution of the material requirements and reserving the materials and the respectively adjusted required quantity and/or the required time;
- ◯ Selecting another of the material requirements, repeating the previous steps until all of the prioritized material requirements have the materials and the respective adjusted requirement quantities and/or requirement times reserved, and obtain the production sequence; and
- • the second sub-procedure the steps
- ◯ fixing a first production period in the production sequence;
- ◯ Optimizing the production sequence outside of the fixed first production period to further optimize the cost function
- • the production system is regulated and/or controlled according to the optimized production sequence obtained in the second sub-method.
Das erste Subverfahren entspricht einem schnellen Optimierungsverfahren, welches eine initiale Produktionssequenz als erste Ergebnis innerhalb weniger Sekunden liefert. Ein erstes Ergebnis nach kürzester Zeit ist relevant, da die Produktion nach einem Vorfall nie stillstehen darf. Das Optimierungsziel ist die Bedarfsdeckung in Kombination mit einer Maximierung der Produktionsauslastung, das heißt möglichst wenig Produktionsstillstand. Das zweite Subverfahren entspricht einem gründlicheren Optimierungsverfahren.The first sub-method corresponds to a fast optimization method, which delivers an initial production sequence as the first result within a few seconds. A first result after a very short time is relevant, since production must never come to a standstill after an incident. The optimization goal is to cover demand in combination with maximizing production utilization, i.e. as little production downtime as possible. The second sub-procedure corresponds to a more thorough optimization procedure.
Die initiale Produktionssequenz wird auch zur Umsetzung in das reale Produktionssystem oder die reale Fabrik gegeben. Sobald ein in Bezug auf die Gesamtkostenfunktion besseres Ergebnis aus einer der nachgeschalteten gründlichen Optimierung zur Verfügung steht, wird dieses ausgegeben und direkt von dem System in der realen Produktion umgesetzt oder zu der Unterstützung eines menschlichen Steuerers an diesen ausgegeben. Dabei wird sichergestellt, dass das bessere Ergebnis mit der schon gestarteten Produktionssequenz übereinstimmt. Das wird sichergestellt dadurch, dass jede gerade in Produktion gesetzte Planung eines vorherigen Optimierers für die gerade laufende Zeit eine Randbedingung des nachgeschalteten Optimierers ist.The initial production sequence is also given for implementation in the real production system or the real factory. As soon as a result from one of the downstream thorough optimizations that is better in terms of the total cost function is available, this is output and implemented directly by the system in real production or output to the latter to support a human controller. This ensures that the better result matches the production sequence that has already started. This is ensured by the fact that every plan just put into production by a previous optimizer for the current time is a constraint of the downstream optimizer.
Die Fixierung stellt sicher, dass die Ausgabe des zweiten Subverfahrens auch umsetzbar ist. Durch die Fixierung kann in dem zweiten Subverfahren ein durch die Fixierung bestimmter Teil der Produktionssequenz nicht mehr geändert werden. Nach einem Aspekt der Erfindung werden alle Eingabeparameter für einen bestimmten Zeitraum zeitlich fixiert. Die Fixierung wird beispielsweise durch einen Präfix in der aus dem ersten Subverfahren erhaltenen Produktionssequenz, Arbeitersituation und/oder in den Lieferungen realisiert. Bedingt durch die Fixierung kann das zweite Subverfahren maximal so viel Zeit benötigen, wie durch die Fixierung abgedeckt ist. Als Fixierungszeit wird beispielsweise die Zeit bis auf das Ende der laufenden Schicht genommen. Der schnelle Optimierer optimiert über alle Produktionszeiträume der Produktion. Der von dem schnellen Optimierer optimierte erste Produktionszeitraum wird dann in der realen Fabrik ausgeführt und kann nicht mehr geändert werden. Daher optimiert der langsamere, aber gründlichere Optimierer weitere Produktionszeiträume außerhalb des fixierten Zeitraums.The fix ensures that the output of the second sub-procedure can also be implemented. Due to the fixation, a part of the production sequence determined by the fixation can no longer be changed in the second sub-process. According to one aspect of the invention, all input parameters are fixed in time for a certain period of time. The fixation is implemented, for example, by a prefix in the production sequence, worker situation and/or in the deliveries obtained from the first sub-process. Due to the fixation, the second sub-procedure can take as much time as is covered by the fixation. For example, the time until the end of the current shift is taken as the fixation time. The fast optimizer optimizes over all production periods of production. The first production period optimized by the fast optimizer is then executed in the real factory and can no longer be changed. Therefore, the slower but more thorough optimizer optimizes further production periods outside of the fixed period.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird zur Durchführung des zweiten Subverfahrens ein evolutionärer Algorithmus ausgeführt, der mit der im ersten Subverfahren erhaltenen Produktionssequenz oder einer Mutation von dieser initialisiert wird.According to a further aspect of the invention, an evolutionary algorithm is executed to carry out the second sub-method, which is initialized with the production sequence obtained in the first sub-method or with a mutation of this.
Evolutionäre Algorithmen sind an der Funktionsweise von der Evolution natürlicher Lebewesen inspiriert und werden nach folgendem Verfahren prozessiert:
- • Initialisierung: Die erste Generation von Lösungskandidaten wird erzeugt. Erfindungsgemäß ist die erste Generation die initiale Produktionssequenz. Die initiale Produktionssequenz wird durch das erfindungsgemäße Verfahren, das heißt den schnellen Optimierer, erzeugt.
- • Evaluation: Jedem Lösungskandidaten der Generation wird entsprechend seiner Güte ein Wert einer Fitnessfunktion zugewiesen. Die Fitnessfunktion ist die Zielfunktion des evolutionären Algorithmus. Vorbild für die Fitnessfunktion ist die biologische Fitness, die den Grad der Anpassung eines Organismus an seine Umgebung angibt. Bei dem evolutionären Algorithmus beschreibt die Fitness einer Produktionssequenz, wie gut die Produktionssequenz das zugrunde liegende Optimierungsproblem löst.
- • Durchlaufe die folgenden Schritte, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist:
- ◯ Selektion: Auswahl von Individuen für die Rekombination
- ◯ Rekombination: Kombination der ausgewählten Individuen
- ◯ Mutation: Zufällige Veränderung der Nachfahren
- ◯ Evaluation: Jedem Lösungskandidaten der Generation wird entsprechend seiner Güte ein Wert der Fitnessfunktion zugewiesen.
- ◯ Selektion: Bestimmung einer neuen Generation.
- • Initialization: The first generation of solution candidates is created. According to the invention, the first generation is the initial production sequence. The initial production sequence is generated by the method according to the invention, ie the fast optimizer.
- • Evaluation: Each solution candidate of the generation is assigned a value of a fitness function according to its quality. The fitness function is the objective function of the evolutionary algorithm. The model for the fitness function is biological fitness, which indicates the degree of adaptation of an organism to its environment. In the evolutionary algorithm, the fitness of a production sequence describes how well the production sequence solves the underlying optimization problem.
- • Go through the following steps until an abort criterion is met:
- ◯ Selection: selection of individuals for recombination
- ◯ Recombination: Combination of the selected individuals
- ◯ Mutation: Random change in the descendants
- ◯ Evaluation: Each solution candidate of the generation is assigned a value of the fitness function according to its quality.
- ◯ Selection: determination of a new generation.
Nach einem Aspekt der Erfindung werden die evolutionären Algorithmen mit Maschinenlernmodellen prozessiert.According to one aspect of the invention, the evolutionary algorithms are processed with machine learning models.
Typische Abbruchkriterien sind weiter unten genannt.Typical termination criteria are listed below.
Evolutionäre Algorithmen umfassen genetische Algorithmen. Mit evolutionären Algorithmen wird ein Lösungskandidat ausschließlich über Mutation gesucht, Rekombination findet nicht statt. Genetische Algorithmen berücksichtigen Rekombination. Nach einem Aspekt der Erfindung wird der evolutionäre Algorithmus in Anlehnung an eine der folgenden Evolutionsstrategien ausgeführt:
- •
Adaptive Anpassung oder 1/5-Erfolgsregel:Die 1/5-Erfolgsregel besagt, dass der Quotient aus den erfolgreichen Mutationen der initialen Produktionssequenz, also Mutationen, die eine Verbesserung des Produktionsablaufs bewirken, zu allen Mutationen etwa ein Fünftel betragen sollte. Ist der Quotient größer, so sollte die Varianz der Mutationen erhöht werden, bei einem kleineren Quotienten sollte sie verringert werden. - • Selbstadaptivität: Jedes Individuum hat ein zusätzliches Gen für die Mutationsstärke selbst. Dies ist zwar nicht in der Biologie möglich, aber die Evolution im Rechner findet eine geeignete Varianz auf diese Weise ohne Einschränkung des Menschen. Im Rechner werden dabei Rekombination und Mutation entsprechend der Mutationsstärke entsprechend angepasst.
- • Adaptive adaptation or 1/5 success rule: The 1/5 success rule states that the quotient of the successful mutations in the initial production sequence, ie mutations that improve the production process, should be around one fifth of all mutations. If the quotient is larger, the variance of the mutations should be increased, if the quotient is smaller, it should be reduced.
- • Self-adaptivity: Each individual has an additional gene for the mutation strength itself. This is not possible in biology, but computer evolution finds a suitable variance in this way without human limitations. In the computer, recombination and mutation are adjusted according to the mutation strength.
Beispielsweise besteht der Genotyp für die gründliche Optimierung aus einer Datenstruktur, die der schnelle Optimierer verwendet. Als initiale Population wird die Lösung des schnellen Optimierers verwendet und anschließend durch Rekombination und Mutation die Reihenfolge der Materialbedarfe in der Datenstruktur verändert. Der Mutationsoperator verändert in diesem Fall die Reihenfolge eines zufällig ausgewählten Materialbedarfs eines zufällig ausgewählten Produktionsbereichs. Der Rekombinationsoperator nimmt zwei Chromosomen von Eltern und produziert zwei Chromosomen von Kindern. Dies wird beispielsweise durch eine Rekombination von Permutationen erreicht. Der Phänotyp wird aus dem Genotyp abgeleitet, indem der schnelle Optimierer auf der geänderten Datenstruktur ausgeführt wird.For example, the deep optimization genotype consists of a data structure that the fast optimizer uses. The solution of the fast optimizer is used as the initial population and then the order of the material requirements in the data structure is changed by recombination and mutation. In this case, the mutation operator changes the order of a randomly selected material requirement of a randomly selected production area. The recombination operator takes two chromosomes from parents and produces two chromosomes from children. This is achieved, for example, by recombination of permutations. The phenotype is derived from the genotype by running the fast optimizer on the changed data structure.
Damit wird die adaptive Produktionsoptimierung weiter verbessert.This further improves the adaptive production optimization.
Das erste und zweite Subverfahren und evolutionäre Algorithmen für eine adaptierte Produktionsoptimierung sind in der deutschen Patentanmeldungen mit dem Aktenzeichen
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird in der Simulation ein digitaler Zwilling eines realen Produktionssystems erzeugt. Für den digitalen Zwilling wird ein Planungshorizont bestimmt. Das reale Produktionssystem wird anhand des Planungshorizonts geregelt und/oder gesteuert. Mittels des digitalen Zwillings werden beispielsweise Engpässe oder kritische Pfade simuliert. Mittels des digitalen Zwillings werden zukünftigen Zustände des Produktionssystems simuliert. Damit werden beliebig weit in die Zukunft reichende Planungshorizonte, beispielsweise im Umfang von mehreren Wochen, ermöglicht.According to a further aspect of the invention, a digital twin of a real production system is generated in the simulation. A planning horizon is determined for the digital twin. The real production system is regulated and/or controlled using the planning horizon. Bottlenecks or critical paths, for example, are simulated using the digital twin. Future states of the production system are simulated using the digital twin. This enables planning horizons that reach as far into the future as you like, for example several weeks.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden regelungs- und/oder steuerungsrelevante Ausgaben und/oder weitere Ausgaben bereitgestellt, wobei die regelungs- und/oder steuerungsrelevante Ausgaben Produktionssequenzen, Arbeiterbelegung und/oder Lieferantenaufträge umfassen und die weiteren Ausgaben Materialbedarfsdeckung, Fertigstellungstermine, Auslastung, Engpässe, kritische Pfade und/oder zeitliche Entwicklung des Produktionssystems umfassen. Damit lassen sich Produktionssequenzen automatisch umsetzen.According to a further aspect of the invention, outputs relevant to regulation and/or control and/or further outputs are provided, the outputs relevant to regulation and/or control comprising production sequences, worker allocation and/or supplier orders and the further outputs covering material requirements, completion dates, utilization, bottlenecks, include critical paths and/or temporal development of the production system. This allows production sequences to be implemented automatically.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Produktionsplanung und-steuerungssystem eine Cloud-Infrastruktur. Die Cloud-Infrastruktur umfasst einen Cloud-basierten Speicher. Eine Simulation und eine reale Regelung und/oder Steuerung des Produktionssystems, der Produktionsplanung, umfassend die Montagestückzahlplanung, und Produktionssteuerung erfolgen in der Cloud. Die Cloud-Infrastruktur ist beispielsweise eine Public, Private oder Hybrid Cloud Infrastruktur.According to a further aspect of the invention, the production planning and control system according to the invention includes a cloud infrastructure. The cloud infrastructure includes cloud-based storage. A simulation and a real regulation and/or control of the production system, the production planning, including the assembly quantity planning, and production control take place in the cloud. The cloud infrastructure is, for example, a public, private or hybrid cloud infrastructure.
Die Erfindung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen verdeutlicht. Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Produktionsplanung undsteuerungssystems, -
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Montagestückzahlplanungssystems, -
3 ein Ausführungsbeispiel einer Kostenfunktion, -
4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und -
5 eine Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ergebnisdarstellung der Montageplanung.
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1 an embodiment of a production planning and control system according to the invention, -
2 an embodiment of an assembly quantity planning system according to the invention, -
3 an embodiment of a cost function, -
4 a schematic representation of a method according to the invention and -
5 an exemplary embodiment of a presentation of the results of the assembly planning according to the invention.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. Übersichtshalber werden in den einzelnen Figuren nur die jeweils relevanten Bezugsteile hervorgehoben.In the figures, the same reference symbols denote the same or functionally similar reference parts. For the sake of clarity, only the relevant reference parts are highlighted in the individual figures.
Basierend auf Optimalitätskriterien P1, Randbedingungen P2, Produktionsparameter P3, Bedarfe P4 und Daten P5 eines Produktionssystems F, die während der Optimierung teilweise, kombiniert oder insgesamt von dem Montageplaner an veränderte Situationen angepasst werden können, bestimmt das Montagestückzahlplanungssystem AQP nach dem erfindungsgemäßen Verfahren planungsrelevante Ausgaben umfassend die Montagebedarfe, welche die Gesamtkostenfunktion des Produktionssystems F optimieren. Die Parameter P1 bis P5 bilden die Eingabedaten für das Montagestückzahlplanungssystem AQP. Falls dabei bestimmte Einschränkungen C nicht erfüllbar sind, meldet das Montagestückzahlplanungssystem AQP dem Montageplaner MP zurück, welche Vorgaben nicht erfüllbar sind.Based on optimality criteria P1, boundary conditions P2, production parameters P3, requirements P4 and data P5 of a production system F, which can be partially, combined or completely adapted by the assembly planner to changed situations during the optimization, the assembly quantity planning system AQP determines planning-relevant expenditure comprehensively according to the method according to the invention the assembly needs that optimize the total cost function of the production system F. The parameters P1 to P5 form the input data for the assembly quantity planning system AQP. If certain restrictions C cannot be met, the assembly quantity planning system AQP reports back to the assembly planner MP which specifications cannot be met.
Zusätzlich stellt das Montagestückzahlplanungssystem AQP weitere Ausgaben bereit umfassend Angaben zu Materialbedarfsdeckung, Auslastungen von Maschinen und Arbeitern und kritischen Pfaden. Die weiteren Ausgaben umfassen Visualisierungen zu den Bestandteilen der Optimierungsfunktion, beispielsweise aufgeschlüsselt über Zeiträume, prognostizierte Bestandsentwicklung und/oder detaillierte Reichweiten- und Bestandsentwicklung für jedes beplante Material und jeden Warenempfänger. In addition, the AQP assembly quantity planning system provides further information on covering material requirements, utilization of machines and workers and critical paths. The other outputs include visualizations of the components of the optimization function, for example broken down over time periods, forecast stock development and/or detailed range and stock development for each planned material and each goods recipient.
Der Montagebedarf wird beispielsweise in einer Datenstruktur in den Sequenzoptimierer APO_1 eingegeben. Der Sequenzoptimierer APO_1 bestimmt, wie weiter oben und in den deutschen Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen
Die optimierten Produktionssequenzen werden freigegeben und in dem Produktionssystem F umgesetzt, entweder durch den Montageplaner MP oder automatisiert oder autonom. Alternativ ändert der Montageplaner MP basierend auf den optimierten Produktionssequenzen die Eingabedaten für das Montagestückzahlplanungssystem AQP.The optimized production sequences are released and implemented in the production system F, either by the assembly planner MP or automatically or autonomously. Alternatively, the assembly planner MP changes the input data for the assembly quantity planning system AQP based on the optimized production sequences.
Die einzelnen Funktionen des Montagestückzahlplanungssystems AQP sind in
Von den Eingaben P1-P5 wird das Constraint System in einem Verfahrensschritt O5 erstellt. Dieses hat eine Lösung genau dann, wenn ein Montagebedarf existiert, der die Vorgaben erfüllt. Dieses Constraint System umfasst Variablen, beispielsweise ganzzahlige Variablen xm,l,c∈Z, die die Anzahl der Montageteile m auf Produktionslinien I für Kunden c darstellen, und Einschränkungen C, zum Beispiel die Einhaltung der Linienkapazität capa. Die optimale Lösung dieses Constraint Systems entspricht der optimalen Montagebedarfe laut der Vorgaben in der Eingabe. Dieses Constraint System wird in die Eingabe für die entsprechenden Zielverfahren SMT und MILP/CP kodiert oder transformiert.The constraint system is created from the inputs P1-P5 in a method step O5. This has a solution exactly when there is a need for assembly that meets the specifications. This constraint system includes variables, e.g. integer variables x m,l,c ∈Z, representing the number of assembly parts m on production lines I for customer c, and constraints C, e.g. compliance with the line capacity capa. The optimal solution of this constraint system corresponds to the optimal assembly requirements according to the specifications in the input. This constraint system is encoded or transformed into the input for the respective target methods SMT and MILP/CP.
Zunächst wird das Modell M1 des Constraint Systems als ein SMT Constraint System kodiert. Mit Hilfe eines SMT-Lösers wird in einem Verfahrensschritt O6 eine Lösung ermittelt, danach wird die Optimierung in einem Verfahrensschritt O7 fortgeführt. Falls es keine Lösung gibt, ermitteln das Montagestückzahlplanungssystem AQP mit dem SMT-Löser die Unsatisfiable Cores und wandeln diese in eine Erklärung für den Montageplaner MP um. Für diesen Schritt kann auch ein alternatives Lösungsverfahren verwendet werden, so lange es die Möglichkeit bietet, Unsatisfiable Cores zu generieren.First, the constraint system model M1 is encoded as an SMT constraint system. A solution is determined in a method step O6 with the aid of an SMT solver, after which the optimization is continued in a method step O7. If there is no solution, the assembly quantity planning system AQP uses the SMT solver to determine the unsatisfiable cores and converts them into an explanation for the assembly planner MP. An alternative solution method can also be used for this step, as long as it offers the possibility of generating unsatisfiable cores.
Das Constraint System zusammen mit dem Modell M2 wird als ein MILP/CP Constraint System kodiert. Der MILP/CP-Löser ist dann in der Lage, aus dem gegebenen Constraint System und der Optimierungsfunktion die Lösung zu bestimmen, welche das Constraint System erfüllt und einen global optimalen Wert in der Optimierungsfunktion hat. Die Lösung beinhaltet alle planungsrelevanten Informationen. Auch andere Optimierungsverfahren, wie heuristische Suche, zum Beispiel Tabu Search, genetische und evolutionäre Optimierung können in diesem Schritt verwendet werden, eventuell mit Initialisierung der Lösung aus dem Verfahrensschritt O5.The constraint system together with the model M2 is encoded as a MILP/CP constraint system. The MILP/CP solver is then able to use the given constraint system and the optimization function to determine the solution that satisfies the constraint system and has a globally optimal value in the optimization function. The solution contains all planning-relevant information. Other optimization methods, such as heuristic search, for example Tabu Search, genetic and evolutionary optimization can be used in this step, possibly with initialization of the solution from method step O5.
In einem Verfahrensschritt O1 werden Eingabedaten umfassend die Optimalitätskriterien P1 umfassend Abweichungen des Produktionssystems F zu vorgegebenen Reichweitenzielen und/oder Produktionsvorgaben für aus den Montageteilen m montierbare Produkte erhalten.In a method step O1, input data including the optimality criteria P1 including deviations of the production system F from specified range targets and/or production specifications for products that can be assembled from the assembly parts m are obtained.
In einem Verfahrensschritt O2 werden die Abweichungen zu den vorgegebenen Reichweitenziele hinsichtlich Stückzahlen der Montageteile m optimiert, basierend auf den Eingabedaten unter Einhaltung der Einschränkungen C des Produktionssystems F. Die Verfahrensschritte O5-O7 bilden den Verfahrensschritt O2.In a method step O2, the deviations from the specified range targets in terms of quantities of the assembly parts m are optimized based on the input data while complying with the restrictions C of the production system F. The method steps O5-O7 form the method step O2.
In einem Verfahrensschritt O3 wird eine Information, welche Vorgaben nicht erfüllbar sind, ausgegeben, falls die Optimierung nicht erfüllbar ist.In a method step O3, information about which specifications cannot be met is output if the optimization cannot be met.
Anderenfalls werden in einem Verfahrensschritt O4 die planungsrelevanten Ausgaben umfassend die Stückzahlen der Montageteile m, welche die Abweichungen zu den vorgegebenen Reichweitenzielen optimieren, ausgegeben.Otherwise, in a method step O4, the outputs relevant to planning are output, including the number of pieces of assembly parts m, which optimize the deviations from the specified range targets.
BezugszeichenlisteReference List
- AQPAQP
- Montagestückzahlplanungssystemassembly quantity planning system
- APO_1APO_1
- Sequenzoptimierersequence optimizer
- APOAPO
- Produktionsplanung und-steuerungssystemProduction planning and control system
- P1P1
- Optimalitätskriterienoptimality criteria
- P2p2
- Randbedingungenboundary conditions
- P3P3
- Produktionsparameterproduction parameters
- P4P4
- Bedarfeneeds
- P5P5
- Daten Produktionssystemdata production system
- Ff
- Produktionssystemproduction system
- MPMP
- Montageplanerassembly planner
- M1M1
- Modell für EinschränkungenModel for Constraints
- M2M2
- Modell für eine OptimierungsfunktionModel for an optimization function
- CC
- Einschränkungrestriction
- SMTSMD
- SMT-LöserSMT solver
- MILP/CPMILP/CP
- MILP/CP LöserMILP/CP solver
- capacapa
- Linienkapazitätline capacity
- II
- Produktionslinieproduction line
- L1-L12L1-L12
- Produktionslinieproduction line
- mm
- Montageteilassembly part
- cc
- Kundecustomer
- O1O1
- -O7-Verfahrensschritte-O7 process steps
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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