Forschung

Die Planung von Logistikzentren ist ein komplexes, gering strukturiertes Entscheidungsproblem, dessen Zielausrichtung und Bearbeitung durch interdisziplinäre Kollektive erfolgt. Eine mathematisch optimale Lösung des Planungsproblems existiert nicht – das Ziel der Planung kann lediglich eine möglichst gute Lösung darstellen. Eine entscheidende Aufgabe systematischer Planung besteht darin, die Strukturdefizite zu überwinden. Dieses geschieht durch Zerlegung des Problems in Teilprobleme sowie Modellierung und Abstrahierung der (Teil-)Probleme. Aus der Tatsache der Strukturdefizite folgt auch, dass die Legitimation des Planungsergebnisses aus der Intersubjektivität der verwendeten Heuristik resultiert.

Vor diesem Hintergrund befasst sich die Arbeit mit der Bestimmung einer Vorgehensweise zur Konzeptplanung von Logistikzentren. Zur Erarbeitung wird eine konsensorientierte Wissenschaftslehre in Kombination mit einer kritischen hermeneutischen Forschungsmethode gewählt. Hierzu werden zunächst relevante Grundlagen der Systemlehre im Allgemeinen und der Systemtechnik im Speziellen identifiziert. Gemeinsam mit Grundlagen der Modelltheorie und des Model-based Systems Engineering als eine Disziplin, welche die Modellbildung als zentrale Aufgabe entlang des Systemgestaltungsprozesses betont, werden Anforderungen an den Aufbau, die Inhalte und die Dokumentation eines Vorgehensmodells definiert.

In der Folge wird der »Distribution Center Design Process« (DCDP) entwickelt. Entlang eines achtschrittigen Prozesses werden, beginnend mit der Aufgabenstellung und Zielsetzung, Lösungskonzepte von Logistikzentren entwickelt und bewertet. Der Prozess gliedert sich in zwei Teile mit jeweils vier Phasen: einen Part des funktionalen Designs, in welchem die Aufgabenstellung im Sinne einer Top-downProblemanalyse in ein funktionales Konzept überführt wird, und einen Part des physischen Designs, welcher dieses Konzept durch eine Bottom-up-Lösungssynthese in einen bzw. mehrere bewertete Lösungsvorschlänge überführt.

Insbesondere die bisher wissenschaftlich nicht betrachtete Formalisierung des funktionalen Bereichs der Planung von Logistikzentren wird fokussiert. Hierdurch entstehen u. a. die Definition von 18 Services und 15 grundlegende Transformationseigenschaften von Handhabungseinheiten. Diese können zur Erstellung und semantischen Prüfung sogenannter Service Flow Networks verwendet werden, welche die funktionale Abfolge und Transformationen der Leistungsgegenstände in Logistikzentren beschreiben. Die in den Teilschritten der Phasen verwendeten konzeptuellen Modelle werden beschrieben und mittels SysML dokumentiert. Zentrale Zusammenhänge werden anschließend mittels diskreter Modellierung formalisiert.

Abschließend werden die Ergebnisse einer kritischen Prüfung auf Basis der Grundsätze ordnungsmäßiger Modellierung unterzogen und auf ein Praxisbeispiel angewendet. Hierbei wird sowohl die Ordnungsmäßigkeit der Modelle bestätigt als auch die Praxistauglichkeit demonstriert.

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In Zeiten der individualisierten Dienstleistungen und Produkte wird es der Logistik über die physische Warenbewegung hinaus zuteil, Dinge informatorisch zu identifizieren und miteinander in globalen Supply Chains zu vernetzen. Das sogenannte »Tracking&Tracing« stellt im Rahmen der Planung und Steuerung von logistischen Systemen eine Grundvoraussetzung dar, um die Verfügbarkeit der richtigen Informationen echtzeitnah für sämtliche Waren zu gewährleisten. Eine besondere Herausforderung für die dynamische (Selbst-)Steuerung der Warenflüsse obliegt der intelligenten Datenverarbeitung in Form verteilter Algorithmen.

Die Planung von Materialflusssystemen beruht klassischerweise auf einem vorgeplanten, maximalen Durchfluss (Grenzleistungsbetrachtung) an bestimmten Punkten eines Systems. Durch eintreffende Ereignisse (Events), die zu einer alarmierenden Planabweichung führen können, wird jedoch der durchgängige Warenfluss beeinflusst und die ex ante geplante Regelbarkeit der Leistung ad absurdum geführt. Je nachdem, an welcher Stelle Events auftreten, hat dies Auswirkungen auf die komplette Supply Chain. Dazu zählen als wichtige Knotenpunkte ebenfalls die Logistikzentren, die in besonderem Maße flexibel und aktiv auf Events reagieren müssen. Durch das hohe Verkehrsaufkommen an großen Umschlagknoten kommt es vermehrt zu Störungen im Materialfluss: LKW verspäten sich, innerbetriebliche Ressourcen und Systemlasten variieren, Anschlusstransporte und Kapazitäten ändern sich kurzfristig. Um die Komplexität des Materialflusses zu beherrschen, wird eine Methode zur Planung und Steuerung des Materialflusses als Ad-hoc-Reaktion auf Ereignisse benötigt.

In der heutigen Praxis erfahren Mitarbeiter eines Logistikzentrums in der Regel erst von Störungen, wenn diese schon eingetreten sind und ein Entgegensteuern nahezu unmöglich ist. Das Logistikzentrum ist in der Supply Chain sowohl der Dynamik als auch der Intransparenz des Informations- und Materialflusses besonders ausgesetzt. Die Mitarbeiter müssen sich dabei auf ständig wechselnde Situationen durch unvorhergesehene Ereignisse einstellen und in kürzester Zeit weitreichende und komplexe Entscheidungen treffen.

Das im Rahmen der Arbeit entwickelte Multiagentensystem (EventPlan) in einem Logistikknoten fokussiert einen ereignis- und ressourcenorientierten Ansatz zur dynamischen Disposition von logistischen Objekten. Das System unterstützt den Logistikentscheider, in begrenzter Zeit eine hinreichend gute Entscheidung zu treffen. Als Ergebnis werden Aufträge neu priorisiert und umgeplant oder Ressourcen reallokiert. Dabei wird die Entscheidung dem Verantwortlichen nicht abgenommen, sondern er wird durch die Analyseergebnisse unterstützt. Über Handlungsmöglichkeiten, wie den Einsatz zusätzlicher Ressourcen, entscheidet somit immer der verantwortliche Mitarbeiter.

Die Praxistauglichkeit erfordert dabei für das dynamische, echtzeitnahe Scheduling von Aufträgen und Ressourcen eine skalierbare, übertragbare Methode, welche Ereignisse echtzeitnah verarbeiten und autonom Nachfolgeaktionen anstoßen kann. Aus diesen Gründen wird ein dezentraler Algorithmus zur Kommunikation und Steuerung auf Basis eines Multiagentensystems aufgebaut und anhand der hochdynamischen Luftfrachtlogistik validiert.

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Der logistische Brennpunkt der Kommissionierung unterliegt seit Jahren dem Trend der zunehmenden Komplexität. Die Vielfalt bezüglich Technikvarianten und Organisationsformen steigt kontinuierlich. Bei heterogen strukturierten Gesamtsystemen, bestehend aus verschiedenen Techniksystemen, werden dynamische Systemeigenschaften und leistungshemmende Wechselwirkungen zunehmend zu entscheidenden Planungsaspekten.

Mittels der heute in der Konzeptplanungsphase eingesetzten, statisch dominierten Planungs- und Berechnungsmethoden können Fragestellungen bezüglich des dynamischen Verhaltens nicht hinreichend genau beantwortet werden. Dieser Mangel an Planungsqualität erhöht das Risiko einer falschen Dimensionierung dynamikabhängiger Komponenten und führt zu Fehlern bei der Auswahl einer Vorzugsvariante.

Zur Lösung des Problems bietet sich die Simulationstechnik an. Diese wird heute erst in der Feinplanungsphase zum Funktionsnachweis einer ausgewählten Vorzugsvariante eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Konzept für den effizienten Simulationseinsatz bereits in der Konzeptplanungsphase entwickelt und beispielhaft umgesetzt. Ziel hierbei war eine Erhöhung der Qualität der Planungsergebnisse ohne den für den Simulationseinsatz typischen Mehraufwand.

Hierfür wurden standardisierte Planungs- und Simulationsmodelle, Modellierungsmethoden und Datenstrukturen für heterogen strukturierte Kommissioniersysteme entwickelt. Dies umfasste unter anderem ein Modellierungsparadigma sowie Standard-Bausteine und Objekte heterogen strukturierter Kommissioniersysteme. Elementar war darüber hinaus die Entwicklung automatisch generierbarer Simulationsmodelle, - strukturen und –elemente. Die Methoden wurden in eine Planungsumgebung integriert, welche den Planer in allen Phasen einer simulationsgestützten Konzeptplanung unterstützt.

Die durchgeführte Validierung anhand eines Anwendungsbeispiels zeigte, dass durch die frühe Simulationsintegration eine erhebliche Erhöhung der Planungs- und Ergebnisqualität erreicht wird. Dies betrifft insbesondere die dynamikabhängigen Dimensionierungsaspekte wie Pufferkapazitäten, Ressourcendimensionierung und Technikdimensionierung in nachgeschalteten Bereichen. Zudem ergibt sich für einen Planer bereits in der Konzeptplanungsphase ein hohes Maß an Transparenz und Verständnis für das dynamische Verhalten der betrachteten Modellvarianten.

Mit dieser Arbeit wurde die generelle Machbarkeit einer frühen Simulationsintegration in den Planungsprozess nachgewiesen, sowie Herausforderungen und Grenzen aufgezeigt. Durch weiterführende Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten wird sich der Einsatz der Simulationstechnik bereits in der Konzeptplanungsphase von heterogen strukturierten Kommissioniersystemen zukünftig zunehmend etablieren.

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Logistikzentren sind, als elementarer Bestandteil einer Supply Chain, einem fortlaufenden Wandel ausgesetzt. Dabei rücken Aspekte wie Flexibilität, Adaptivität und Proaktivität immer weiter in den Vordergrund, um die Logistikzentren langfristig effizient betreiben zu können. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Sensibilität ihrer Leistungsfähigkeit analysieren zu können.

In dieser Arbeit werden Betriebskennlinien entwickelt, die die Leistungsfähigkeit von Logistikzentren abbilden. Diese wird durch Kennzahlen beschrieben, die das dynamische Umfeld berücksichtigen und in Abhängigkeit von einer Einflussgröße stehen. Durch die Variation der Einflussgröße entstehen die Betriebskennlinien.

Die zur Abbildung der Betriebskennlinien eingesetzten Kennzahlen werden mathematisch hergeleitet und basieren in zentralen Aspekten auf statistischen Formeln, die auf das Logistikzentrum übertragen werden. Bei den Kennzahlen handelt es sich um das Service Level, den Lieferverzug, den Ressourcenbestand und die Logistikkosten. Es wird ein Modell entwickelt, mittels dessen die komplexen betrieblichen Abläufe eines Logistikzentrums abgebildet und die Kennzahlen bestimmt werden können. Schließlich wird ein Verfahren vorgestellt, mittels dessen das Modell eingesetzt werden kann. Um die Einsatzmöglichkeiten der Betriebskennlinien zu demonstrieren, werden diese für verschiedene typische Logistikzentren bestimmt. Zusätzlich werden verschiedene Möglichkeiten diskutiert, die die Leistungsfähigkeit von Logistikzentren beeinflussen können.

Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen werden in der Fashion Branche durchgeführt. Diese ist besonders geeignet, da sie hohe Schwankungen und eine ausgeprägte Saisonalität vorweist, die unter logistischen Gesichtspunkten repräsentativ für andere Branchen ist.

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