Ablaufplanung in der chemischen Industrie: Optimierung mit Evolutionären Algorithmen

246 Pages·1999·7.403 MB·German

by  Martin Kießwetter (auth.)

Kießwetter
Ablaufplanung in der chemischen Industrie
Betriebswirtschaftliche Forschung zur Unternehmensführung
Herausgegeben von Prof. Dr. Dr. h. c. Herbert Jacob (t),
Prof. Dr. Karl-Werner Hansmann, Prof. Dr. Manfred Layer,
Prof. Dr. Dieter Preßmar, Universität Hamburg
Zuletzt erschienen:
Band 18 Quantitative Entscheidungsunterlagen auf der Grundlage von Szenarien
Von Dr. Reinhart Schultz
Band 19 Zur Theorie der dynamischen Preispolitik
Von Dr. Jörn W. Röper
Band 20 Technischer Fortschritt und Technologiebewertung aus
betriebswirtschaftlicher Sicht
Von Prof. Dr. Peter Betge
Band 21 Optimale Zeitpunkte für Preisänderungen
Von Dr. Christoph Mura
Band 22 Dauerhafte Güter
Von Dr. Reinhard Wienke
Band 23 Entscheidung unter Unsicherheit
Von Dr. Richard Gottwald
Band 24 Strategische Planung und Unsicherheit
Von Prof. Dr. Kai-Ingo Voigt
Band 25 Produktionsplanung und Belegung von Montageflächen
Von Dr. Uwe Petersen
Band 26 Kapazitätsorientierte Produktionssteuerung
Von Dr. Kai Kleeberg
Band 27 Planung des Designs flexibler Fertigungssysteme
Von Dr. Ursula Dankert
Band 28 Produktionsplanungs-und -steuerungssysteme
Von Priv.-Doz. Dr. Wolf-Eckhard Kautz
Band 29 Auslandsinvestitionsrechnung
Von Dr. Jürgen Scholz
Band 30 Unternehmenszusammenschlüsse
Von Dr. Stephan Paprottka
Band 31 Gewinnorientierte Planung der Produktqualität
Von Dr. Peter Bielert
Band 32 Künstliche neuronale Netze in Management-Informationssystemen
Von Dr. BjörnAlex
Band 33 Produktionsplanung und -steuerung einer flexiblen Fertigung
Von Dr. Michael Höck
Band 34 Umweltorientierte Investitionsplanung
Von Dr. Christian Friedemann
Band 35 Strategien im Zeitwettbewerb
Von Prof. Dr. Kai-Ingo Voigt
Band 36 Ablaufplanung in der chemischen Industrie
Von Dr. Martin Kießwetter
Martin Kießwetter
Ablaufplanung in der
chemischen Industrie
Optimierung mit
Evolutionären Algorithmen
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Kießwetter, Martin:
Ablaufplanung in der chemischen Industrie: Optimierung mit Evolutionären
Algorithmen 1 Martin Kießwetter.
-Wiesbaden: Dt. Univ.-Verl. ; Wiesbaden: Gabler, 1999
(Betriebswirtschaftliehe Forschung zur Unternehmensfiihrung ; Bd. 36)
Zugl.: Hamburg, Univ., Diss., 1998
ISBN 978-3-8244-9004-2 ISBN 978-3-322-91478-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-91478-1
Alle Rechte vorbehalten.
© Betriebswirtschaftlicher Verlag Dr. Th. Gabler GmbH, Wiesbaden, und
Deutscher Universitäts-Verlag, Wiesbaden GmbH, 1999
Lektorat: Ute Wrasmann
Der Gabler Verlag und der Deutsche Universitäts-Verlag sind Unternehmen der
Bertelsmann Fachinformation GmbH.
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich ge
schützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheber
rechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und straf
bar. Das gilt insbesondere rur Vervielfaltigungen, Übersetzungen,
Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elek
tronischen Systemen.
http://www.gabler-online.de
http://www.duv.de
Höchste inhaltliche und technische Qualität unserer Produkte ist unser Ziel. Bei der
Produktion und Verbreitung unserer Bücher wollen wir die Umwelt schonen: Dieses Buch
ist deshalb auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt. Die Einschweiß
folie besteht aus Polyäthylen und damit aus organischen Grundstoffen, die weder bei der
Herstellung noch bei der Verbrennung Schadstoffe freisetzen.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in die
sem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß sol
che Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu
betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
ISBN 978-3-8244-9004-2
v
Geleitwort
Produktionsprozesse der chemischen Industrie zeichnen sich durch eine
besondere strukturelle Komplexität der Produktionsabläufe aus. Im Unterschied
zu den Produktionsverhältnissen der stückorientierten Fertigungsindustrie erfor
dert die chemische Produktion speziell auf die vorherrschende Planungssituation
abgestimmte Planungsmodelle und Lösungsverfahren.
Mit dieser Arbeit wird zunächst eine Typisierung der chemischen Produktions
prozesse vorgenommen und auf dieser Grundlage gezeigt, mit welchen Planungs
ansätzen ein für die Praxis adäquates Lösungsverhalten erreicht werden kann.
Anhand von realen Problemstellungen aus der Praxis der Chemieindustrie
werden erstmals Planungsverfahren angegeben, mit deren Hilfe Probleme der
Ablaufplanung ohne Einschränkungen bei der Abbildung der realen Planungs
situation gelöst werden können.
Auf der Grundlage einer Plausibilitätstheorie werden Modellierungsvorschläge
für Evolutionäre Algorithmen entwickelt, die nur um wenige Prozentpunkte von
der mathematisch optimalen Lösung abweichen. Die besondere Praxistauglichkeit
wird durch die paradox erscheinende Tatsache unterstrichen, daß die Ab
weichungen von der angestrebten Optimalität um so kleiner sind, je umfang
reicher das zu planende Produktionssystem ist. In Kombination mit der linearen
Programmierung kann der Optimalitätsnachweis für die mit einem evolutionären
Verfahren berechneten Lösung geführt werden.
Das vorliegende Buch eröffnet neue Wege für die Produktions- und Ablauf
planung in der chemischen Industrie. Dem Verfasser ist es gelungen, die neuesten
Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Evolutionären Algorithmen auf Real
probleme der Praxis anzuwenden. Damit wird diese Schrift nicht nur dem wissen
schaftlich interessierten Leser, sondern auch dem Praktiker wertvolle Hinweise
vermitteln.
Prof. Dr. D. B. Preßmar
VII
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher
Mitarbeiter und Lehrbeauftragter am Institut für Wirtschaftsinformatik an der
Universität Hamburg und wurde im August 1998 am Fachbereich Wirtschafts
wissenschaften der Universität Hamburg als Dissertation angenommen.
An dieser Stelle möchte ich mich bei meinem akademischen Lehrer Herrn Prof. Dr.
D. B. Preßmar für die vielfältige Unterstützung und zahlreichen Anregungen sehr
herzlich bedanken. Er hat mich während meiner Zeit am Lehrstuhl in einer
freundschaftlichen Atmosphäre intensiv gefördert und war stets zu Diskussionen
über die verschiedensten Ideen zur Produktionsplanung bereit.
Bedanken möchte ich mich außerdem bei Herrn Prof. Dr. K.-W. Hansmann für die
Übernahme des Gutachtens und Herrn Prof. Dr. L. Streitpferdt für die Übernahme
des Vorsitzes des Prüfungsausschusses.
Besonderer Dank gilt meinen Eltern, insbesondere meinem Vater Prof. Dr. K.
Kießwetter der mit viel Mühe das Manuskript Korrektur gelesen hat und auch für
inhaltliche Diskussionen jederzeit zur Verfügung stand. Bei meiner Freundin
Britta Wolf bedanke ich mich ebenso ganz herzlich für ihre Unterstützung und das
Verständnis, das sie während der Phase des Zusammenschreibens dieser Arbeit
aufgebracht hat.
Martin Kießwetter
IX
Inhaltsverzeichnis
ABBILDUNGSVERZEICHNIS ............................................................................................................... XIII
TABELLENVERZEICHNIS ................................................................................................................... XVII
SYMBOL VERZEICHNIS ......................................................................................................................... XIX
1 EINLEITUNG ............................................................................................................................................... 1
1.1 PROBLEMSTELLUNG UND ZIEL DER ARBEIT ........................................................................................... 1
1.2 AUFBAU DER ARBEIT .............................................................................................................................. 3
2 PRODUKTIONSSYSTEME DER CHEMISCHEN INDUSTRIE ........................................................ 7
2.1 TECHNOLOGISCHE ABGRENZUNG DER CHEMISCHEN INDUSTRIE ....................................................... 7
2.2 PRODUKTIONSTYPOLOGIE .................. .. .. ............................................................................. 9
2.3 SPEZIFISCHE EIGENSCHAFTEN CHEMISCHER PRODUKTIONSSYSTEME ................................................ 15
2.4 PRODUKTIONSTYPEN DER CHEMISCHEN INDUSTRIE ......................................................................... 18
2.4.1 Ein generalisierter Produktionstyp........... .. ................................... 18
2.4.2 Ablauforientierte Produktionstypen ........................................................................................ 20
2.4.3 Zusammengesetzte Produktionstypen ..................................................................................... 25
2.5 INTEGRIERTE PRODUKTIONSPLANUNG UND -STEUERUNG IN DER CHEMISCHEN INDUSTRIE ............ 27
2.5.1 Aufgaben und Bedeutung der betriebswirtschaftlichen Produktionsplanung .................. 27
2.5.2 Leitsysteme .................................................................................................................................. 29
2.5.2.1 Historische Entwicklung und Ausblick ............................................................................................ 29
2.5.2.2 Aufbau integrierter Leitsysteme ........................................................................................................ 32
2.5.3 Rezeptfahrweise .......................................................................................................................... 34
3 VERFAHREN ZUR CHARGENGRÖßEN-UND ABLAUFPLANUNG .......................................... 39
3.1 PROBLEMKLASSEN ................................................................................................................................ 39
3.1.1 Klassifikation von Problemen der Chargengrößenplanung .................................................. 39
3.1.2 Klassifikation von Problemen der Ablaufplanung ................................................................. 42
3.1.2.1 Klassifikationsschema ......................................................................................................................... 42
3.1.2.2 Maschinencharakteristik ..................................................................................................................... 42
3.1.2.3 Auftragscharakteristik ........................................................................................................................ 43
3.1.2.4 Zielsetzungen ....................................................................................................................................... 44
3.1.3 Klassifikation der Chargengrößen-und Ablaufplanung in der chemischen Industrie ..... 45
3.2 SYSTEMATISIERUNG DER PLANUNGSVERFAHREN ............................................................................... 47
3.3 LINEARE PROGRAMMIERUNG ............................................................................................................... 51
x
3.3.1 Grundlagen .................................................................................................................................. 51
3.3.2 Dualität ......................................................................................................................................... 52
3.3.3 Branch und Bound Methode .................................................................................................... .53
3.4 EVOLUTIONÄRE ALGORITHMEN .......................................................................................................... 57
3.4.1 Grundlagen der Evolutionstheorie .......................................................................................... .57
3.4.2 Entwicklung und Übersicht ....................................................................................................... 61
3.4.3 Genetische Operatoren ............................................................................................................... 65
3.4.4 Selbstorganisation ....................................................................................................................... 68
3.4.5 Verfahrensvarianten ................................................................................................................... 71
3.4.5.1 Threshold Accepting ........................................................................................................................... 71
3.4.5.2 Simulated Annealing ........................................................................................................................... 72
3.4.5.3 Das Verfahren von Ablay ................................................................................................................... 73
3.4.5.4 Genetische Algorithmen ..................................................................................................................... 74
3.4.5.5 Evolutionsverfahren ............................................................................................................................ 75
3.5 BEWERTUNG DER PLANUNGSVERFAHREN ........................................................................................... 77
4 MODELLIERUNG VON PRODUKTIONSSYSTEMEN DER CHEMISCHEN INDUSTRIE. .... 81
4.1 DER PROZEß DER MODELLBILDUNG .................................................................................................... 81
4.1.1 ModelIierung von Entscheidungsproblemen .......................................................................... 81
4.1.2 Komplexität von Produktionssystemen und Lösungsverfahren .......................................... 83
4.2 MIP-MoDELLE ...................................................................................................................................... 88
4.2.1 Systematik der ModelIierungsansätze ..................................................................................... 88
4.2.2 Ein ModelIierungsansatz mit festem Zeitraster ..................................................................... 90
4.2.2.1 Vorüberlegungen ................................................................................................................................. 90
4.2.2.2 Grundmodell ........................................................................................................................................ 92
4.2.2.3 AnwendungsbeispieL ........................................................................................................................ 96
4.2.2.4 Anwendungsmöglichkeiten ............................................................................................................. 101
4.2.3 Ein ModelIierungsansatz mit variablem Zeitraster .............................................................. 102
4.2.3.1 Vorüberlegungen..................... . ...................................................... 102
4.2.3.2 Grundmodell .................. . . ...................................................... 104
4.2.3.3 Binärcodierung. .............. . . .......... 107
4.2.3.4 Anwendungsmöglichkeiten ................ . .. ............. 109
4.3 MODELLE AUF DER GRUNDLAGE EVOLUTIONÄRER ALGORITHMEN. . ....... 111
4.3.1 Allgemeine Prinzipien der Modellbildung .. 111
4.3.2 Hybride Flow-Shop Systeme .......... . .. ................... 118
4.3.2.1 Aufwandsorientierte Komplexität und ModelIierungsvarianten . . .................................... 118
4.3.2.2 Plausibilitäts-Theorie. .. ... 121
4.3.2.3 AnwendungsbeispieL ... . ................................. 134
XI
5 ABLAUFPLANUNG IN BATCHPRODUKTIONSSySTEMEN. .................................................... 137
5.1 MODELUERUNGS-UND VERFAHRENSEMPFEHLUNGEN ................................................................... 137
5.2 PRODUKTIONSTYP BATCH ................................................................................................................ 139
5.2.1 Problemstellung BI ................................................................................................................... 139
5.2.1.1 Produktionsablauf ............................................................................................................................. 139
5.2.1.2 Zielsetzung und Klassifikation ........................................................................................................ 141
5.2.1.3 Auftrags-und Anlagendaten ........................................................................................................... 142
5.2.2 EA-Ansatz .................................................................................................................................. 144
5.2.2.1 ModelIierung ...................................................................................................................................... 144
5.2.2.2 Ergebnisse ........................................................................................................................................... 146
5.2.2.3 Konfigurationsanalyse ...................................................................................................................... 149
5.2.3 MIP-Ansatz ................................................................................................................................ 150
5.3 PRODUKTIONSTYP BATCH-INTERN ............................................................................................... 151
5.3.1 Problemstellung B2 ................................................................................................................... 151
5.3.1.1 Produktionsablauf ............................................................................................................................. 151
5.3.1.2 Zielsetzung und Klassifikation ........................................................................................................ 155
5.3.1.3 Auftrags-und Anlagendaten ........................................................................................................... 156
5.3.2 EA-Ansatz .................................................................................................................................. 157
5.3.2.1 ModelIierung ...................................................................................................................................... 157
5.3.2.2 Einlastungsvorschrift ........................................................................................................................ 157
5.3.2.2.1 Generelles Vorgehen ................................................................................................................. 157
5.3.2.2.2 Analyse der Lagerbewegungen ............................................................................................... 160
5.3.2.2.3 Exemplarische Einlastung ........................................................................................................ 162
5.3.2.3 Ergebnisse ........................................................................................................................................... 164
5.4 PRODUKTIONSTYP BATCH-EXTERN ............................................................................................... 168
5.4.1 Problemstellung B3 ................................................................................................................... 168
5.4.1.1 Produktionsablauf ............................................................................................................................. 168
5.4.1.2 Zielsetzung und Klassifikation ........................................................................................................ 170
5.4.1.3 Auftrags-und Anlagendaten ........................................................................................................... 170
5.4.2 MIP-Ansatz ................................................................................................................................ 172
5.4.2.1 ModelIierung ...................................................................................................................................... 172
5.4.2.2 Ergebnisse ........................................................................................................................................... 177
6 EIN HYBRIDVERFAHREN FÜR PRODUKTIONSSYSTEME DES TYPS BATCH-EXTERN .181
6.1 ANSÄTZE ZUR HVBRIDISIERUNG VON EVOLUTIONÄREN ALGORITHMEN UND LINEARER
PROGRAMMIERUNG .................................................................................................................................. 181
6.1.1 Grundüberlegung ..................................................................................................................... 181
6.1.2 Möglichkeiten der Verfahrenskombination .......................................................................... 183
XII
6.1.3 Der Ansatz von MichaIewicz ................................................................................................... 184
6.1.4 Das hybride Planungsverfahren HEALP ............................................................................... 186
6.1.5 Bewertung der Ansätze zur Hybridisierung ......................................................................... 188
6.2 ANWENDUNG VON HEALP AUF DIE PROBLEMSTELLUNG B3 .......................................................... 189
6.2.1 LP-Modell ................................................................................................................................... 189
6.2.2 EA-Modell .................................................................................................................................. 192
6.2.2.1 ModelIierung ...................................................................................................................................... 192
6.2.2.2 Genetische Operatoren. ..................................................................................................................... 194
6.2.3 Implementierung ....................................................................................................................... 195
6.2.4 Ergebnisse .................................................................................................................................. 196
6.2.4.1 Optimierung der Engpaßstufe ......................................................................................................... 196
6.2.4.2 Optimierung des Gesamtsystems .................................................................................................... 197
6.3 ANSATZ FÜR DEN NACHWEIS DER OPTIMALITÄT ............................................................................. 200
6.3.1 Mathematische Grundlagen .................................................................................................... 200
6.3.1.1 Partitionssatz von Benders ............................................................................................................... 200
6.3.1.2 Benders-Verfahren. ............................................................................................................................ 201
6.3.1.3 Beweis .................................................................................................................................................. 203
6.3.2 Nachweis der Optimalität einer besten gefundenen Lösung .............................................. 204
6.3.3 Anwendungsbeispiel B3 ........................................................................................................... 206
6.3.4 Beurteilung der Einsatzfähigkeit ............................................................................................ 209
7 SCHLUßBETRACHTUNG .................................................................................................................... 211
ANHANG ...................................................................................................................................................... 213
LITERA TURVERZEICHNIS. .................................................................................................................... 221