Supply Chain Scheduling mit Teams von Agenten

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1 Diplomarbeit Supply Chain Scheduling mit Teams von Agenten Klaas Hambörger 16. April Oktober 2002 Erstgutachter: Zweitgutachter und Betreuer: Prof. Dr. Hans-Jürgen Appelrath Priv.-Doz. Dr. Jürgen Sauer

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3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis iii 1 Einleitung Motivation und Aufgabenstellung Aufbau der Arbeit Grundlagen Ablaufplanung Grundbegriffe Modellierung eines Ablaufplanungsproblems Multi Site Scheduling Benutzerinteraktion Supply Chains Einführung Supply Chain Management Agentensysteme Agenten Multiagenten-Systeme Kooperation AMPA-Projekt Problemstellung Anforderungen an das Szenario Szenario: Produktion und Auslieferung von Euro-Münzen Übersicht Geldmengensteuerung Euro als Produkt Rondenproduktion Münzprägung iii

4 Inhaltsverzeichnis Transport Lagerung Anmerkungen und Anpassungen Entwurf Teams von Agenten Vorgehensmodell Übersicht Phasen des Vorgehensmodells Umsetzung für das Beispiel Euro-Münzen Analyse des Realwelt-Szenarios Mapping der relevanten Stellen auf Agenten Hinzufügen der Beziehungen und Teams Präzisierung der Agenten Entwurf / Auswahl der Agentenplattform Ausgestaltung der Anforderungen Integration des Systems Test und Verifikation Implementierung Stamm- und Testdaten Stammdaten Testdaten Klassenstruktur des Multiagenten-Systems Übersicht Änderungen an den Frozen Spots Änderungen an den Hot Spots Dateien und Startumgebung Datenbank Sourcecode Startumgebung Beispielablauf Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Abbildungsverzeichnis 120 iv

5 Inhaltsverzeichnis Tabellenverzeichnis 122 Literaturverzeichnis 126 Danksagung 127 v

6 Inhaltsverzeichnis vi

7 1 Einleitung 1.1 Motivation und Aufgabenstellung Betriebliche Produktionsprozesse sind häufig nicht mehr auf einen isolierten Standort beschränkt. Vielmehr findet ein umfangreicher Austausch von Rohstoffen, Teil- und Fertigprodukten zwischen verschiedenen Herstellungs- und Lagerorten statt. Im Gegensatz zum Einzelbetrieb müssen Schedules für mehrere kooperierende Unternehmen erstellt und für globale Ziele optimiert werden. Supply Chain Szenarien erweitern das Problemspektrum der Ablaufplanung daher durch neue, spezifische Probleme: Der Informationsfluss muss unternehmensübergreifend stattfinden und ist daher schwieriger und oft fehlerbehaftet, z.b. durch unterschiedliche (interne) Darstellung von Objekten. Optimierung aus Sicht eines Einzelbetriebes kollidiert mit den für einen erfolgreichen Betrieb der Gesamtkette erforderlichen Parametern. Reaktive Planung als Antwort auf aktuelle Veränderungen und Probleme findet nicht statt. Unterschiedliche Prozessarten (Produktion, Transport, Lagerung) müssen in einen Gesamtablauf integriert werden. Ziel dieser Diplomarbeit ist es, einen Lösungsansatz für ein hinreichend komplexes Supply Chain Szenario zu entwerfen, mit dem es möglich ist, die charakteristischen Aufgaben des Themenfeldes zu verdeutlichen. Zentrales Element sind dabei Teams Of Agents, verschiedene Gruppen von Agenten, die beteiligte Einheiten der Supply Chain modellieren und in Abhängigkeit von ihrer Position im System Teilpläne des Gesamtplans erstellen. Um den unterschiedlichen Prozessen gerecht werden zu können, müssen für einzelne Teams verschiedene Planungsverfahren bereitgestellt werden, welche z.b. auf Produktions-, Transport- oder Lagerraumplanung 1

8 1 Einleitung optimiert sind. Ebenfalls von Bedeutung ist die Konzeption einer effizienten Kommunikationsstruktur, die im Gegensatz zu bestehenden Systemen in der Lage ist, auch auf dynamische Veränderungen selbsttätig zu reagieren, ohne dabei einen lähmenden Nachrichtenüberfluss zu erzeugen. Damit ein geeignetes Beispielszenario zur Verfügung steht, wird zunächst untersucht, welche Abläufe erforderlich sind, um Münzen der neuen Euro-Währung zu fertigen und sicher zu den Kunden (Landeszentralbanken, Geschäftsbanken) zu transportieren. In der Arbeitsgruppe Planungssysteme bereits vorliegende Ergebnisse etwa ein Framework für Planungsagenten sollen mit in den Lösungsansatz integriert werden, um redundanten Entwicklungsaufwand zu vermeiden und die Eignung für das betrachtete Problemfeld zu überprüfen. Zur Veranschaulichung der erarbeiteten Lösungsstrategie erfolgt abschließend eine prototypische Implementierung des Systems, wobei auf zukünftige Erweiterbarkeit, z.b. durch eine graphische Benutzungsschnittstelle, Wert zu legen ist. Als Zielsprache wird Java R verwendet, da Java R durch die Verfügbarkeit leistungsfähiger Entwicklungswerkzeuge, Plattformunabhängigkeit und das Vorhandensein benötigter Technologien (Netzwerkkommunikation, Datenbankzugriff, Multithreading) gekennzeichnet ist. 1.2 Aufbau der Arbeit Diese Diplomarbeit ist in sechs Kapitel untergliedert. Das Grundlagenkapitel vermittelt zunächst wichtige theoretische Kenntnisse für das Verständnis der betrachteten Domäne. Dazu gehören Informationen über Ablaufplanung allgemein, sowie über die Verfeinerungen des Multi Site Scheduling und der Supply Chains. Agenten als angestrebtes Realisierungsparadigma werden ebenfalls thematisiert. Es folgt ein konkretes Beispiel einer realistischen Supply Chain, konkret die Prägung der Euro-Münzen, welches die Grundlage für die Veranschaulichung der involvierten Komplexität und die Entwicklung der weiteren Vorgehensweise ist. Die Kapitel Entwurf und Implementierung beschäftigen sich zunächst mit der Erarbeitung eines Vorgehensmodells zur Umsetzung des aus der Realwelt stammenden Szenarios auf ein Multiagentensystem, welches im weiteren Verlauf dann ausgestaltet wird. Dabei wer- 2

9 1.2 Aufbau der Arbeit den die Anforderungen an Algorithmen, Datenstrukturen und Kommunikationsstrukturen mit Inhalten gefüllt. Ausgewählte und wichtige Aspekte der prototypischen Implementierung werden erläutert. Eine Zusammenstellung und abschließende Einordnung der erzielten Ergebnisse erfolgen schließlich im Kapitel Zusammenfassung und Ausblick. 3

10 1 Einleitung 4

11 2 Grundlagen In diesem Abschnitt werden die Grundlagen eingeführt, die für das Verständnis der im späteren Verlauf der Arbeit entwickelten Konzepte benötigt werden. Dazu erfolgt eine Einführung in die Thematik der Ablaufplanung, wobei einige wichtige Vertiefungen, wie etwa verteilte Ablaufplanung (Multi Site Scheduling) und Supply Chain Management, berücksichtigt werden. Da eine Realisierung mittels Agenten vorgesehen ist, wird auch dieses Konzept vorgestellt. 2.1 Ablaufplanung Die Ablaufplanung umfasst einen Teilbereich der Aufgaben, die im Rahmen der Produktionsplanung und -steuerung (PPS) zu bewältigen sind. PPS beschäftigt sich mit der Koordination aller dispositiven Vorgänge eines produzierenden Unternehmens, von der Auftragsannahme bis zur Produktlieferung. Dabei unterliegen die Planungsvorgänge gewissen Rahmenbedingungen (Constraints), die temporaler, kapazitiver oder technischer Art sein können. Außerdem gilt es, unterschiedliche betriebswirtschaftliche Zielvorstellungen zu erfüllen. Die hier gegebene Einführung und die vorgestellte Modellierung der Ablaufplanung basieren auf Arbeiten von Sauer ([Sau93], [Sau01d]) Grundbegriffe Ablaufplanung bezeichnet den Vorgang, eine Menge von Aufträgen auf eine Menge zur Verfügung stehender Ressourcen (z.b. Maschinen, Personal, Rohmaterialien) kapazitätsgerecht zuzuordnen, wobei vorgegebene Bedingungen (Constraints) zu erfüllen sind. Dabei integriert die Ablaufplanung verschiedene Teilbereiche der PPS. Es handelt sich dabei um Aufgaben aus der Primärbedarfsplanung, Materialwirtschaft, Kapazitätsterminierung, 5

12 2 Grundlagen Kapazitätsabgleich und Produktionssteuerung. Abbildung 2.1 zeigt das Zusammenwirken der verschiedenen Stufen der Planung im betriebswirtschaftlichen Kontext. Ergebnis der Ablaufplanung ist der Ablaufplan. Ebenen der Ablaufplanung Ergebnis Abbildung 2.1: Ebenen der Ablaufplanung Aufgabe der Primärbedarfsplanung ist es, in Abstimmung mit Auftragssteuerung und Kalkulation festzulegen, welche Produkte mittel- und langfristig hergestellt werden sollen. Grundlage dafür bilden Heuristiken, die sich Erfahrungswerten, früheren Absatzzahlen und Marktprognosen bedienen. Bereits vorhandene Aufträge und aktuell vorhandene Lagerbestände fließen mit in die Betrachtung ein. Resultat dieser Planung ist ein Grobplan, der erste, wenn auch noch relativ ungenaue Endtermine für die Produktion enthält. Im nächsten Planungsschritt, der Materialwirtschaft, wird dieser Grobplan konkretisiert. Dazu werden aus dem Primärbedarf entsprechende Sekundärbedarfe, Rohstoffe und Zwischenprodukte mit ihrer termingerechten Bereitstellung abgeleitet. Die dazu benötigten Informationen werden Stücklisten entnommen. Es entsteht ein verfeinerter Grobplan, der bereits konkrete End- und späteste Starttermine enthält, bei deren Berechnung aber noch keine kapazitiven Beschränkungen berücksichtigt werden. 6

13 2.1 Ablaufplanung Die Lokale Planung umfasst die Bereiche Kapazitätsterminierung, Kapazitätsabgleich und die Produktionssteuerung. In diesem Schritt der Planung erfolgt die Erstellung von Feinplänen. Ein Feinplan berücksichtigt auch zur Verfügung stehende Ressourcen, deren Kapazitäten und bereits verplante Aktivitäten. Die Lokale Planung wird durch die Betriebsdatenerfassung (BDE) unterstützt, deren Informationen Kontrolle über den Produktionsverlauf und gegebenenfalls Plankorrekturen ermöglichen. Nach Sauer ([Sau93]) sind für die Domäne der Ablaufplanung folgende Komponenten wesentlich: Aufträge: Vorgaben für die Herstellung eines bestimmten Produkts. Sie enthalten Informationen über Menge, Start und Ende der Produktion. Produkte: Ergebnisse des Produktionsprozesses, herzustellende Erzeugnisse. Varianten: Als Varianten bezeichnet man alternative Herstellungsvorschriften für ein Produkt. Operationen: Operationen sind die einzelnen Herstellungschritte im Produktionsprozess. Jede Variante eines Prozesses besteht aus einer Menge unterschiedlicher Operationen, die in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt werden müssen. Maschinen: Ressourcen, auf denen die Operationen während der Produktion durchgeführt werden. Üblich ist eine redundante Auslegung, d.h., für eine Operation stehen alternativ verwendbare Maschinen zur Verfügung. Zeiten: Zeiten sind neben Maschinen der eigentliche Planungsfaktor. Operationen werden auf Maschinen zu bestimmten Zeiten typischerweise in Intervallen eingeplant. Für die rechnergestützte Planung finden meist keine Realzeitangaben, sondern diskrete Zeitschritte Verwendung. Auch diese Arbeit stützt sich auf diskrete Zeitschritte. Ausgangspunkt der Darstellung ist ein frei zu wählendes, festes Datum in der Vergangenheit. Die Kardinalität der Schritte ist konstant, kann jedoch frei eingestellt werden, um ein geeignetes Mass für die Planung zu wählen. Ereignisse: Ereignisse sind ein weiteres Merkmal der Ablaufplanung. Hierunter werden alle Einflüsse zusammengefasst, die eine Änderung des Plans erforderlich machen. Ereignisse können wiederum Folgeereignisse auslösen. Bereits angesprochen wurde ein weiterer elementarer Bestandteil der Ablaufplanung, die Rahmenbedingungen (Constraints). Diese werden unterschieden in Hard Constraints (Restriktionen), welche unbedingt zu erfüllen sind, und Soft Constraints (Präferenzen), deren 7

14 2 Grundlagen Erfüllung wünschenswert ist. Bei Interesse findet sich bei Henseler ([Hen98]) eine formalere Beschreibung, die über das hier Eingeführte hinausgeht. Hard Constraints bestehen u.a. aus den Produktionsvorschriften. Diese beschreiben die zur Herstellung eines Produktes notwendigen Operationen und legen deren Ausführungsreihenfolge, sowie die zu verwendenden Ressourcen fest. Für den Fall, dass in der Produktionsvorschrift unterschiedliche Varianten vorgesehen sind, muss eine davon ausgewählt werden. Soft Constraints finden für die Operationalisierung von betriebswirtschaftlichen Planungszielen Verwendung. Mögliche Ziele sind z.b. gute Maschinenauslastung, Minimierung von Lagerkosten, Einhaltung von vorgegebenen Fertigungsterminen oder Minimierung von Rüstkosten bei Universalmaschinen durch eine möglichst homogene Einplanung unterschiedlicher Produkte. In der Realität ergibt sich das Problem, dass Ziele gegensätzlich sein können und damit nicht gleichzeitig erfüllbar sind. Werden im Verlauf der Planerstellung Constraints verletzt, wird dies als Konflikt bezeichnet. Bei Planerstellung oder -änderung, egal, ob durch das Ablaufplanungssystem oder einen Benutzereingriff, sind Konflikte zu vermeiden. Für Hard Contraints ist dies zwingend erforderlich. Ein Ablaufplan, der sämtliche Hard Constraints erfüllt, heisst gültig. Aufgrund des Dilemmas der Ablaufplanung, das eine gleichzeitige Erfüllung sämtlicher Soft Constraints ausschließt, ist das Ziel der Ablaufplanung ein Plan, der sämtliche Hard Constraints erfüllt und ein Optimum bei der Erfüllung der Soft Constraints erreicht. Um dieses zu gewährleisten, wird eine Bewertungsfunktion eingesetzt, deren Ergebnis Aufschluss über den besten unter verschiedenen Plänen gibt. Im Allgemeinen ist die Suche nach der optimalen Lösung jedoch NP-vollständig und damit nur mit exponentiell steigendem Berechnungsaufwand möglich. Für die Praxis ist dies nicht geeignet, weshalb heuristische Näherungsverfahren eingesetzt werden, die ein zufrieden stellendes Ergebnis liefern. Ablaufpläne können entweder komplett neu erstellt oder modifiziert werden, falls dies als Reaktion auf Veränderungen im betrieblichen Ablauf erforderlich sein sollte. Planende Instanzen können das System oder der Benutzer sein. Diese Möglichkeiten werden wie folgt klassifiziert: 8

15 2.1 Ablaufplanung Prädiktive Planung (predictive scheduling): Ein Plan für eine zukünftige Planungsperiode wird erstellt, der den Ablauf der Produktion im Voraus festlegt. Grundlage bilden Erfahrungs- und Schätzwerte (Soll-Daten). Reaktive Planung (reactive scheduling): Ein bestehender Plan wird an veränderte Bedingungen der Umgebung angepasst. Gründe für die Anpassung sind typischerweise Ereignisse, wie etwa der Ausfall einer Maschine oder die Änderung eines Auftrags. Um zur Lösung der resultierenden Konflikte nicht den kompletten Plan neu berechnen zu müssen, erfolgt eine Umplanung, die folgendes zu berücksichigen hat: Die Antwortzeit des Systems sollte kurz sein und schnell einen konfliktfreien Plan liefern. Die Gesamtqualität des bestehenden Plans bezügl. der operationalisierten Ziele sollte erhalten bleiben. Die Veränderungen sollten möglichst lokal durchgeführt werden, ohne konfliktfreie Abschnitte des Plans zu berühren. Bei bestehender Anbindung einer BDE, welche die in der Produktion aufgetretenen Ereignisse an das Planungssystem zurückmeldet, kann ein Regelkreis zwischen Planung und Durchführung etabliert werden ([Hen98]). Interaktive Planung (interactive scheduling): Der Benutzer des Ablaufplanungssystems führt eine manuelle Veränderung am Ablaufplan durch. Ermöglicht wird dies typischerweise durch eine graphische Benutzungsschnittstelle. Die Motivation für einen solchen Eingriff liegt entweder in einer reaktiven Veränderung oder dient der Realisierung einer Präferenz, die das automatische System so nicht leistet. Wichtig ist, dass manuell durchgeführte Veränderungen durch eine automatische Konsistenzprüfung auf eventuelle Konflikte getestet werden Modellierung eines Ablaufplanungsproblems Für den weiteren Verlauf der Arbeit ist die Definition einiger Begriffe unumgänglich. Diese beruhen auf Sauer ([Sau01d]), allerdings wird hier weitestgehend auf strenge Formalismen verzichtet und das Wichtigste informell dargestellt. 9

16 2 Grundlagen Definition 2.1: Ablaufplanungsproblem Ein Ablaufplanungsproblem wird durch ein 7-Tupel (R, P, A, HC, SC, E, Z) beschrieben. Dabei bezeichnet R eine Menge von Ressourcen, P eine Menge von Produkten, A eine Menge von Produktionsaufträgen, HC eine Menge von Hard Constraints, SC eine Menge von Soft Constraints, E eine Menge von Ereignissen und Z eine Bewertungsfunktion. R={r 1,..., r m }, R ist endlich und nicht leer. Jede Ressource r i steht zu jedem Zeitpunkt nur mit einer beschränkten Kapazität zur Verfügung. P={p 1,..., p n }, P ist endlich und nicht leer. Jedes Produkt p j enthält eine Produktionsvorschrift, die Informationen über Varianten mit ihren notwendigen Fertigungsoperationen, deren Vorrangrelation, sowie über verwendbare Ressourcen mit Produktions- und Rüstzeiten enthält. Zur Beschreibung von p j ergibt sich daher ein 6-Tupel der Form (pname, v, o, r, d, rz). Dabei ist pname die Produktbezeichnung, v die Variantennummer, o die Operationsnummer, r eine alternativ einsetzbare Ressource, d die Dauer der Operation und rz die Rüstzeit der Ressource, auf der die Operation ausführbar ist. Zur Festlegung der Bearbeitungsreihenfolge der Operationen existiert eine Vorrangrelation. A ist endlich und nicht leer. Jeder Produktionsauftrag a A kann durch ein 6-Tupel beschrieben werden: a = (aname, p, s, e, m, pri). Dabei ist aname der Auftragsname, p das zu fertigende Produkt, s der früheste mögliche Startzeitpunkt für die Produktion, e der späteste mögliche Endzeitpunkt für die Produktion, m die zu produzierende Menge und pri die Priorität des Auftrags. 10

17 2.1 Ablaufplanung HC ist endlich und nicht leer. Zu den wichtigsten Hard Constraints zählen: hc 1 : hc 2 : hc 3 : hc 4 : hc 5 : hc 6 : hc 7 : hc 8 : hc 9 : hc 10 : hc 11 : Alle Aufträge müssen eingeplant werden. Zu jedem Auftrag ist genau eine Variante des Produkts einzuplanen. Alle Operationen der gewählten Variante müssen eingeplant werden. Die Vorrangrelation zwischen einzelnen Operationen einer gewählten Variante muss eingehalten werden. Jede Operation kann nur auf einer dafür bestimmten Ressource eingeplant werden. Auf jeder Ressource kann zu einem bestimmten Zeitpunkt nur eine Operation ausgeführt werden. Für die Berechnung der Produktionsdauer ist die gewünschte Menge zu berücksichtigen. Das Ende einer Operation ergibt sich aus Startzeitpunkt plus Dauer der Operation. Die Startzeit einer Operation darf nicht vor der Startzeit des zugehörigen Auftrags liegen. Nicht verfügbare Zeitschritte bleiben bei der Planung unberücksichtigt. Einplanungen in der Vergangenheit dürfen nicht verändert werden. Gemäß Sauer ([Sau01d]) stellen die hier aufgezählten Hard Constraints nur eine Auswahl dar, im jeweiligen Anwendungsfall können weitere hinzukommen. SC ist endlich und (im realen Anwendungsfall) nicht leer. Zu den wichtigsten Soft Constraints zählen: sc 1 : sc 2 : sc 3 : sc 4 : sc 5 : sc 6 : sc 7 : Vorgegebene Start- und Endtermine sind einzuhalten. Ressourcen sollten möglichst gut ausgelastet werden. Durchlaufzeiten sind zu minimieren, um Kapitalbindung durch hohe Lagerhaltung zu vermeiden. Rüstkosten sind zu minimieren. Engpassressourcen sind zu entlasten. Personal- und Lagerbeschränkungen sollten eingehalten werden. Die Planung ist hinsichtlich der Zielfunktion zu optimieren. 11

18 2 Grundlagen Auch für die vorgestellten Soft Constraints gilt, dass sich im konkreten Anwendungsfall sicherlich weitere finden lassen. E ist endlich und nicht leer. Jedes Ereignis e E stellt eine Änderung in der Planungsumgebung dar, die in der Regel zu einem Konflikt führt. Bei einem Ereignis e handelt es sich entweder um einen konkreten Vorfall aus der Realwelt oder um ein Folgeereignis, das aus einer Bearbeitung eines externen Ereignisses resultiert. Mögliche Ereignisse sind u.a.: e 1 : e 2 : e 3 : e 4 : e 5 : e 6 : e 7 : e 8 : e 9 : e 10 : e 11 : e 12 : e 13 : e 14 : e 15 : Neuer Auftrag, Stornierung eines Auftrags, Änderung des Starttermins eines Auftrags, Änderung des Endtermins eines Auftrags, Änderung der Auftragsmenge, Änderung der Auftragspriorität, Ändern des Produktes oder der Produktvariante für einen Auftrag, Splitten eines Auftrags, Störung/Reparatur einer Maschine, Wartungsperiode einfügen, Maschinenintensität ändern, Schichtzahl ändern, Ressource ändern, Rückmeldung von Maschinendaten/Fertigungsdaten, Auswärtige Fertigung. Für konkrete Anwendungen müssen u.u. weitere Ereignisse definiert werden. Z bezeichnet die Menge der Bewertungsfunktionen (Zielfunktionen). Eine Zielfunktion zf Z ordnet einem zulässigen Plan eine reelle Zahl als Bewertung für die Güte des Plans zu. Da nicht alle für einen Plan wünschenswerten Kriterien mittels einer Funktion modellierbar sind, beschränken sich Zielfunktionen häufig auf die Erfassung von Durchlauf- oder Fertigstellungszeiten. Jaudszim ([Jau98]) nennt Beispiele für Bewertungsfunktionen: zf 1 : zf 2 : Summe der Verspätungen (lateness), Mittlere Verspätung (mean lateness), 12

19 2.1 Ablaufplanung zf 3 : zf 4 : zf 5 : zf 6 : zf 7 : Summe der Terminüberschreitungen/Verzüge (tardiness), Anzahl der Aufträge mit Verzug (tardy orders), Mittlerer Verzug (mean tardiness), Summe der gewichteten Terminüberschreitungen (weighted tardiness), Summe der quadrierten Verzüge. Verspätungen pro Auftrag können negativ sein, der Verzug eines Auftrags ist minimal null. Als Ergebnis der Ablaufplanung wurde bereits der Ablaufplan genannt. Definition 2.2: Ablaufplan Ein Plan (Ablaufplan) ist eine Menge von Belegungen. PL sei die endliche, nicht leere Menge der Pläne. Zu der Belegung eines Plans gehören die verplante Operation eines Auftrags, die damit belegte Ressource, sowie Start- und Endzeitpunkt der Operation. Ein Plan kann unterschiedliche, für seine Qualität maßgebende Eigenschaften aufweisen, die im Folgenden definiert werden. Definition 2.3: Zulässiger oder gültiger Plan Ein Plan pl PL heißt genau dann zulässig oder gültig, wenn er alle Hard Constraints aus HC erfüllt. Die Menge der zulässigen Pläne heißt ZPL. Definition 2.4: Konsistenter, inkonsistenter Plan Ein Plan pl PL heißt genau dann konsistent, wenn er zulässig oder gültig ist und zusätzlich alle Soft Constraints aus SC erfüllt. Die Menge der konsistenten Pläne heißt KPL. Ein Plan pl PL heißt genau dann inkonsistent, wenn er nicht alle Constraints aus (HC SC) erfüllt. Definition 2.5: Optimaler Plan Ein konsistenter Plan pl KPL heißt optimal, wenn er optimal bezüglich der gewählten Bewertungsfunktion ist. 13

20 2 Grundlagen Multi Site Scheduling Überblick In der Literatur und auch im vorangegangenen Abschnitt werden Probleme der Ablaufplanung häufig primär aus Sicht einer einzelnen, isolierten Produktionsstätte betrachtet. Dabei bleibt eine Vielzahl von Fragestellungen unberücksichtigt, die sich dann ergeben, wenn unterschiedliche Betriebe von einer zentralen Stelle aus koordiniert werden sollen und Abstimmungs- und Lieferprozesse zwischen verschiedenen Orten der Leistungserstellung erforderlich werden. Ziel des Multi Site Scheduling ist es daher, die Betrachtung von Ablaufplanungsproblemen auf eine Darstellung von verteilten Produktionsstandorten zu erweitern. Die Notwendigkeit dafür ergibt sich aus der zunehmenden Bedeutung von derartigen Szenarien, wie es die aktuelle Diskussion über Begriffe wie etwa Dezentralisierung, Supply Chain Management oder Virtuelle Unternehmen zeigt. Sauer ([Sau01d]) nennt dazu Eigenschaften, die eine verteilte Ablaufplanung charakterisieren: Zwischen Produktionsprozessen an verschiedenen Standorten bestehen komplexe Beziehungen. Auf höheren Ebenen der Planung werden generalisierte Daten verwendet. Um globale Vorgaben und Ziele erreichen zu können, ist eine Koordination der dezentralen Planung erforderlich. Die aktuelle Situation der Produktionsstätten ist höheren Planungsebenen nicht bekannt. Auf den verschiedenen Ebenen der Planung existieren unterschiedliche Planungsziele. Zur Integration der neuen Anforderungen wird das bestehende Modell der Ablaufplanung um eine globale Ebene erweitert (Abbildung 2.2). Auf dieser Ebene wird ein für alle untergeordneten lokalen Ablaufplanungssysteme geltender Grobplan erstellt, welcher auf kumulierten Daten basiert. Nach Sauer ([Sau01d] hat die globale Ebene folgende Aufgaben: Erstellung von Vorgaben für nachgelagerte Planungseinheiten. Der hier erzeugte Plan genügt den globalen Zielen (Termine, Kosten), beschränkt sich aus Komplexitätsgründen aber auf grobe Zeitvorgaben für die lokalen Systeme. 14

21 2.1 Ablaufplanung Aufträge, Ereignisse Globale Ebene Globale Ablaufplanung Kunden, Auftraggeber Pläne, Ereignisse Pläne, Ereignisse Pläne, Ereignisse Lokale Ablaufplanung Lokale Ablaufplanung Lokale Ablaufplanung Lokale Ebene Pläne, Ereignisse Pläne, Ereignisse Pläne, Ereignisse BDE BDE BDE Abbildung 2.2: Ebenen der verteilten Ablaufplanung Aufgabenverteilung: Eingehende Aufträge werden in Teilaufträge für Zwischenprodukte zerlegt und an lokale Betriebe verteilt. Koordination der Planungsaktivitäten. Für den Fall, dass in den Produktionsbetrieben Ereignisse auftreten, die zu Konflikten im aktuellen Plan führen, obliegt es der globalen Ebene, eine reaktive Planung zu veranlassen, um die Plankonsistenz wiederherzustellen Modellierung Aufgrund der erweiterten Architektur bei der verteilten Ablaufplanung ergeben sich Änderungen für die Modellierung. Das bekannte 7-Tupel (R, P, A, HC, SC, E, Z) bleibt zwar erhalten, die Bedeutung einzelner Elemente wird allerdings erweitert. 15

22 2 Grundlagen Jaudszim ([Jau98]) und Sauer ([Sau02]) nennen wichtige Änderungen, die in Tabelle 2.1 zusammengefasst sind. Element global lokal Ressource r R Maschinengruppe Maschine Produkt p P Endprodukt Zwischenprodukt Variante eines Produkts Variante eines Endprodukts Variante eines Zwischenprodukts Auftrag a A Eine Variante bezeichnet eine Menge von Zwischenprodukten mit jeweils zugehörigen, alternativ verwendbaren Maschinengruppen. externer Auftrag, bezieht sich auf ein Endprodukt Eine Variante bezeichnet eine Menge von Operationen mit jeweils zugehörigen, alternativ verwendbaren Maschinen. interner Auftrag, bezieht sich auf ein Zwischenprodukt Hard Constraint globales Hard Constraint lokales Hard Constraint hc HC Soft Constraint globales Soft Constraint lokales Soft Constraint sc SC Planziel zf Z globales Planziel, z.b.: Termineinhaltung bei externen Aufträgen lokales Planziel, z.b.: Optimierung der Maschinenauslastung Ereignis e E Ereignis auf globaler Ebene Ereignis auf lokaler Ebene Plan pl PL globaler Plan lokaler Plan Belegungen enthalten Zuordnungen von Zwischenprodukten auf Maschinengruppen. Belegungen enthalten Zuordnungen von Operationen auf Maschinen. Tabelle 2.1: Verteilte Ablaufplanung, Unterschiede der globalen und lokalen Ebene Durchführung der Planung Analog zur herkömmlichen Ablaufplanung sind auch bei der verteilten Ablaufplanung prädiktive und reaktive Ablaufplanung gleichermaßen von Bedeutung. Der wesentliche Unterschied liegt darin, dass aufgrund der hierarchischen Abhängigkeiten zwischen der Planung der globalen Ebene und den angeschlossenen Planungssystemen der lokalen Betriebe ständig Ereignisse unterschiedlichster Art auftreten. Nicht nur, dass die prädiktive Planung auf lokaler Ebene den Vorgaben der globalen Ebene nachkommen und diese in verfeinerte Pläne umsetzen muss, auch die reaktive Planung auf beiden Ebenen ist ständig gefordert. Auf lokaler Ebene können Betriebsstörungen Umplanungen zur Wiederherstellung der Plankonsistenz bedingen. Global werden möglicherweise Aufträge hinzugefügt, geändert oder storniert und Auswirkungen lokaler Er- 16

23 2.1 Ablaufplanung eignisse auf den globalen Plan umgesetzt, wodurch sich evtl. neue Vorgaben für andere Betriebe ergeben, da Aufträge für Zwischenprodukte von einem auf einen anderen Standort verlagert werden. Die prädiktive Planung der globalen Ebene ist daher gut beraten, möglichst robuste Pläne zu erstellen, in denen Kapazitätsengpässe frühzeitig vermieden werden. Auf diese Weise besteht überhaupt erst die Möglichkeit, den Raum für Umplanungen aufgrund zahlreicher Ereignisse zu erhalten Benutzerinteraktion In den vorangegangen Abschnitten wurden hauptsächlich die informationstechnischen Gesichtspunkte von Ablaufplanungsproblemen und der sie realisierenden Systeme thematisiert. In der Praxis hat sich allerdings gezeigt, dass der Faktor Mensch erheblichen Einfluss auf die erfolgreiche Etablierung entsprechender Systeme in Unternehmen hat. Hambörger und Würdemann ([HW01]) nennen einige Gesichtspunkte, die den Einsatz selbst eines leistungsfähigen und auf die spezifischen Gegebenheiten eines Betriebes zugeschnittenen Ablaufplanungssystems gefährden können: Vom System erstellte Pläne inbesondere bei reaktiver Planung aufgrund von Inkonsistenz infolge von Ereignissen sind ohne weitere Unterstützung für den Benutzer nur schwer nachvollziehbar. Viele Systeme liefern keine Antwort auf die Fragen: Warum ist eine Änderung erfolgt? Was ist geändert worden? Wie ist die Änderung erfolgt? Umfangreiche Ablaufpläne sind nur schwer in einer überschaubaren Form darstellbar. Eine leicht verständliche Form der Darstellung ist jedoch inbesondere für interaktive Planung Voraussetzung, wobei z.b. eine explizite Abgrenzung zwischen manuell und vom System angeordneten Aufträgen sinnvoll ist. Inhärent vorhandenes Spezialwissen des mit dem Ablaufplanungssystem arbeitenden Experten (z.b. Fertigung großer Scheiben nicht am Montag, da erhöhte Bruchgefahr durch reduzierte Leistungsfähigkeit der Mitarbeiter nach einem Wochenende ) ist nicht nur schwer modellierbar, sondern auch schlecht visualisierbar. 17

24 2 Grundlagen Konsequenz dieser Anforderungen ist, dass auf die Konzeption der Benutzungsschnittstelle eines Ablaufplanungssystems besonderes Augenmerk zu richten ist, was mit hohem Entwicklungsaufwand verbunden ist. Eine Vernachlässigung der genannten Anforderungen resultiert schnell in mangelnder Akzeptanz durch den Benutzer, wodurch die Investitionsbereitschaft der verantwortlichen Entscheidungsträger und damit die Marktchancen eines kommerziell zu vertreibenden Ablaufplanungssystems ebenfalls gefährdet werden. Ein bisher verfolgter Ansatz, Änderungen nachvollziehbar zu gestalten, besteht in vom System erzeugten Veränderungsprotokollen. Komfortablere Lösungen, auf Ebene einer graphischen Benutzungsschnittstelle realisiert, sind Gegenstand aktueller Forschung. 2.2 Supply Chains Einführung Supply Chains gewinnen unter dem Eindruck von globalisierten Wirtschaftsprozessen mehr und mehr an Bedeutung. Für viele Unternehmen ist es nicht mehr profitabel, alle Produktionsschritte innerhalb der Wertschöpfungskette in eigenen Betrieben auszuführen. Zur Kostenminimierung wird die Produktion von Zwischenprodukten daher an kostengünstigere Standorte verlagert oder an andere Unternehmen vergeben (Outsourcing). Abbildung zeigt eine einfache Supply Chain am Beispiel der Textilindustrie. material flows raw materials textile production textile finishing apparel industry retailer information flows Abbildung 2.3: Einfache Supply Chain in der Textilindustrie 1 Entnommen aus [Sch01] 18

25 2.2 Supply Chains Es entsteht eine Logistikkette mit folgenden Stufen: Raw Materials: Aufbereitung bzw. Bereitstellung von Rohmaterialen, wie etwa Baumwolle oder Schafwolle. Textile Production: Produktion von Bekleidungsstoffen. Textile Finishing: Veredelung der Stoffe, etwa durch Färben oder Imprägnieren. Apparel Industry: Herstellung von Kleidungsstücken, z.b. Pullover, Hosen, Hemden, etc. Retailer: Wiederverkäufer der Endprodukte, u.a. Mode- und Warenhäuser. Der Materialfluss durchläuft die Supply Chain nur in einer Richtung, umfangreicher Austausch von Informationen zur Koordination der Aktivitäten ist in beide Richtungen erforderlich Supply Chain Management Das Supply Chain Management (SCM) beschäftigt sich mit der Etablierung und dem Betrieb von Supply Chains. Schönsleben ([Sch98]) liefert zunächst folgende Begriffsbestimmung: Definition 2.6: Supply Chain Management (SCM) Supply Chain Management ist die Koordination einer strategischen, längerfristigen Zusammenarbeit von Unternehmen im gesamten Logistiknetzwerk zur Entwicklung und Herstellung von Produkten. Das Supply Chain Management verfolgt dabei eine Reihe von Zielen, die allerdings nicht frei von Konflikten sind (nach Sauer, Schönsleben [Sch98]): Schnellere Auftragsabwicklung, geringere Lagerhaltungskosten, geringere Transferkosten, hohe Auslastung der Ressourcen, höhere Produktqualität, verbesserte Termintreue, 19

26 2 Grundlagen höhere Kundenzufriedenheit, schnellere Reaktion auf Marktveränderungen, verbesserter ROI 2. Aus Sicht der Informatik gehört Supply Chain Management in die Domäne der verteilten Ablaufplanung. Die dort vorhandenen Beziehungen zwischen der leitenden globalen Ebene und den untergeordneten lokalen Produktionsbetrieben werden allerdings um weitere Entitäten und komplexe Beziehungen ergänzt. Dazu gehört inbesondere die explizite Berücksichtung von Transporten zwischen Produktionsstandorten und der Lagerung von End- oder Zwischenprodukten. Für die Ablaufplanung bedeutet das viele neue Herausforderungen, da Transporte u.u. deutlich unzuverlässiger zu kalkulieren sind als Maschinen. Ein Totalverlust oder eine kurzfristig auftretende Verzögerung sollten nicht dazu führen, dass der Gesamtablauf zusammenbricht. Sauer ([Sau02]) nennt noch weitere Aspekte, die den reibungslosen Ablauf einer Supply Chain gefährden: Da unterschiedliche Unternehmen am Wertschöpfungsprozess beteiligt sind, existiert kein Gesamtplan für die Produktion bestimmter Endprodukte, sondern eine Anzahl von zunächst unabhängigen Einzelplänen. Die beteiligten Unternehmen verfolgen eigene, individuelle Ziele, die möglicherweise kollidieren. Es ist nicht nur ein effizienter Materialfluss zu etablieren, sondern insbesondere eine reibungslose Koordination der involvierten Abteilungen der beteiligten Unternehmen zu erreichen. Dazu ist ein umfangreicher Informationsaustausch notwendig. Die Zusammenarbeit im Rahmen der Supply Chain erfordert ein gewisses Maß an Vertrauen aller Beteiligten, da sonst Korrektheit, Vollständigkeit und Aktualität der ausgetauschten Informationen in Frage gestellt sind. Durch Beteiligung einzelner Unternehmen an verschiedenen Supply Chains und komplexen Abhängigkeiten einzelner Zwischenprodukte ergibt sich gegenüber der einfachen Baumstruktur des Multi Site Scheduling schnell eine netzwerkartige Struktur des Gesamtsystems. 2 ROI = Return on Investment 20

27 2.2 Supply Chains Bevor beschrieben wird, wie Planungsprozesse im Rahmen des SCM zu (re-)organisieren sind, sollen zunächst einige Anforderungen genannt werden, die es zu erfüllen gilt, um wirklich eine Win-Win-Situation für die beteiligten Unternehmen erreichen zu können (vergl. Zäpfel [Zae01]): Eine Kooperation der Unternehmen ist Voraussetzung, ohne die Bereitschaft dazu ist eine Supply Chain nicht denkbar. Hinsichtlich der Steuerungsaspekte muss Einigkeit über ein Kooperationsmodell erzielt werden (hierarchisch, heterarchisch). Dazu müssen evtl. Kompetenzen zwischen den Unternehmen neu aufgeteilt werden. Eine unternehmensübergreifende Planung ist aufzubauen, um Aktivitäten koordinieren zu können. Die Orientierung am Gesamtoptimum für alle Teilnehmer sollte die Grundlage der Planungsaktivitäten sein. Die Informationstechnologie als Basis für Ablaufplanungssysteme ermöglicht überhaupt erst einen schnellen Daten- und Planaustausch über große Entfernungen. Die Bereitschaft zum umfangreichen Austausch von Informationen muss gegeben sein, nur dann kann eine für den langfristigen Erfolg wichtige Vertrauensbasis entstehen. Die Darstellung der für das SCM wichtigen Planungsaufgaben erfolgt anhand der Supply Chain Planning Matrix, Abbildung und orientiert sich an [MRW00]. Grundlage für die Gestaltung einer Supply Chain ist die Strategische Netzwerkplanung (SNP), deren Ergebnis die gewünschte Konfiguration eines Netzwerkes aus Zulieferern, Produktionsstandorten, Distributionszentren und Endkunden darstellt. SNP beinhaltet u.a. folgende Aufgaben: Auf-/Abbau von Lager- und Produktionskapazitäten, Planung und Auswahl neuer Standorte, Auswahl der Beschaffungs- und Distributionskanäle, Entscheidungen über die Fertigungstiefe, 3 Angelehnt an [MRW00] 21

28 2 Grundlagen langfristig Beschaffung Produktion Distribution Strategische Netzwerkplanung Absatz Hauptproduktionsprogrammplanung Materialbedarfsplanung Produktionsgrobplanung Distributionsplanung Absatzplanung Feinplanung Transportplanung Available to Promise kurzfristig Abbildung 2.4: Die Supply Chain Planning Matrix strategische Auswahl und Bewertung der wichtigsten Kunden und Zulieferer, Gestaltung von Partnerschaften. Aufgabe der Absatzplanung ist es, die zukünftigen Absatzmengen der Supply Chain zu prognostizieren. Dazu werden statistische Verfahren, Lebenszykluskonzepte und Whatif-Analysen verwendet. Über Aggregation und Disaggregation werden daraus Zahlen für Endprodukte und Endproduktgruppen abgeleitet. Bestandteil der Absatzplanung ist das Available to Promise (ATP). Diese Funktion ermöglicht es, aus dem das SCM unterstützenden bzw. realisierenden Softwaresystem, direkt eine Verfügbarkeitsanfrage zu stellen oder sogar Planaufträge zu erzeugen, indem aufgrund vorhandener Daten eine Abfrage entlang der vollständigen Supply Chain erfolgt. Ausgehend von den ermittelten Absatzzahlen und vorliegenden Kundenaufträgen werden mittels der Hauptproduktionsprogrammplanung Geld- und Informationsflüsse synchroni- 22

29 2.2 Supply Chains siert. Dazu ist eine kostenoptimale Nutzung aller Ressourcen der an der Supply Chain beteiligten Unternehmen anzustreben. Aufgrund des hohen Datenvolumens ist eine Konzentration auf Endprodukte und kritische Komponenten, wie etwa Engpassressourcen, sinnvoll. Hauptaufgabe der Hauptproduktionsprogrammplanung ist der kostenoptimale Abgleich von Produktionsmengen und zur Verfügung stehender Kapazität über die gesamte Supply Chain hinweg. Die Planung auf dieser Ebene wird in der Regel für ein Jahr vorgenommen, wobei eine Orientierung an durchschnittlich zu erwartenden Durchlaufzeiten erfolgen muss. Ergebnisse sind u.a.: Personaleinsatz, Überstunden, Zusatzschichten, Produktionsmengen pro Zeitintervall für einzelne Werke, Transportmengen und -kapazitäten in den Intervallen, Maßnahmen zur Kapazitätsanpassung, Lagerbestände am Intervallende, Beschaffungsmengen an den Grenzen / Schnittstellen der Supply Chain. Diese Ergebnisse stellen Grundlage und Vorgaben für die weiteren, lokalen Planungsebenen dar. Bei der Produktionsgrob- und -feinplanung handelt es sich um die bereits eingeführten Planungsaufgaben auf lokaler und evtl. globaler Ebene. Aufgrund der Eigenverantwortlichkeit im Rahmen der Vorgaben durch die Hauptproduktionsprogrammplanung behalten die einzelnen Unternehmen die Möglichkeit, Pläne zu erstellen, die auf die spezifischen Besonderheiten der eigenen Produktionsstandorte zugeschnitten und optimiert sind. Eine effiziente Distributions- und Transportplanung kann erheblich dazu beitragen, die Gesamtkosten eines Endproduktes zu senken. In einigen Branchen, z.b. der Konsumgüterindustrie, können die Distributionskosten sogar den größten Kostenfaktor darstellen. Der Distributionsplanung obliegt es dabei, längerfristige Vorgaben für Transporte und Bestände innerhalb des Distributionsnetzwerkes zu liefern. Zur Berechnung werden vorhandene Kundenbedarfe, gegebene Produktionsmengen und hoffentlich auch die tatsächlich 23

30 2 Grundlagen verfügbaren Kapazitäten herangezogen. Der Planungshorizont ist dabei in der Regel kürzer als bei der Hauptproduktionsprogrammplanung. Die Transportplanung erstellt aus den periodengenauen (meistens tagesgenauen) Distributionsplänen konkrete Tourenpläne und Ladepläne für einzelne Transportmittel. Diese Aufgaben sind vor allem dann relevant, wenn auf einem LKW viele Sendungen mit unterschiedlichen Produkten transportiert werden. Das Ergebnis der Tourenplanung ist die Zuordnung von Kundenaufträgen zu den verfügbaren Fahrzeugen und der genaue zeitliche Ablauf der einzelnen Touren. Die Ladeplanung verfolgt das Ziel, unter Berücksichtigung der Be- und Entladevorgänge eine möglichst gute Nutzung des vorhandenen Stauraumes zu erreichen. Schließlich bleibt noch die Materialbedarfsplanung, die Bestellaufträge für Materialien (Rohstoffe, Vorprodukte, Betriebsmittel,...) an Lieferanten generiert. Eine weitere gewünschte Funktionalität besteht in der Beauskunftung von Materialverfügbarkeiten, etwa zur Freigabe eines Auftrags. Dazu können evtl. auch Bestandsinformationen der Lieferanten mit herangezogen werden. Zu berücksichtigen sind dabei die je nach Branche unterschiedlich ausfallenden Größen für Bestellmengen und Häufigkeiten, wobei allerdings ein Zielkonflikt zwischen Lagerund Lieferkostenminimierung besteht. Um Unsicherheiten in der Materialzulieferung zu kompensieren, kann die Beachtung eines Sicherheitsbestands sinnvoll sein. Die für das SCM wichtigen Planungstätigkeiten lassen sich grob in folgende Kategorien einordnen: Planung einer Supply Chain: Strategische Netzwerkplanung. Konfiguration einer Supply Chain: Hauptproduktionsprogrammplanung, Absatzplanung. Steuerung einer Supply Chain: Absatzplanung und Available to Promise, Produktionsgrob- und feinplanung, Distributions- und transportplanung, Materialbedarfsplanung. Nach Corsten und Gössinger ([CG01]) ist eine klare Trennung zwischen diesen Ebenen allerdings nicht möglich. 24

31 2.3 Agentensysteme 2.3 Agentensysteme Agenten Einführung Computersysteme sind nicht ohne weiteres in der Lage, an sie gestellte Aufgaben zu erfüllen. Jeder auszuführende Arbeitsschritt muss explizit geplant und von Entwicklern in Form eines Programms realisiert werden. Bleibt eine Situation, die eine Reaktion des Systems erfordert, unberücksichtigt, erfolgt im besten anzunehmenden Fall nur ein Absturz der Software. Werden Computer in kritischen Bereichen eingesetzt, können Menschenleben unmittelbar bedroht sein. Immer mehr Anwendungen erfordern daher Systeme, die selbsttätig kritische Entscheidungen im Rahmen der Entwicklungsziele treffen können. Solche Systeme werden als Agenten bezeichnet. Agenten, die in sich verändernden, unbestimmten und offenen Umgebungen eingesetzt werden, und trotzdem auch im Fall unerwarteter Daten ein robustes Verhalten zeigen, werden als Intelligente Agenten bezeichnet. Ausgehend von diesen Anforderungen stellt Wooldridge ([Woo99]) eine Definition vor, wobei er allerdings betont, dass darüber kein allgemeiner Konsens in der Fachwelt besteht. Definition 2.7: Agent Ein Agent ist ein Computersystem, das in eine Umgebung eingebettet und in der Lage ist, innerhalb dieser Umgebung Aktionen autonom auszuführen, um die gewünschten Zielvorgaben zu erreichen. Eine besondere Bedeutung hat dabei die Autonomie, d.h. die Fähigkeit des Agenten, ohne den Eingriff durch Benutzer oder andere Systeme Aktionen auszuführen. Neben dieser Eigenschaft zeichnet sich ein intelligenter Agent durch eine Befähigung zu flexiblem Handeln aus, die wie folgt charakterisiert wird: Reaktivität: Intelligente Agenten nehmen ihre Umgebung war und reagieren in angemessener Zeit auf sich ergebende Veränderungen, um den Zielvorgaben gerecht zu werden. Proaktivität: Intelligente Agenten entwickeln ein zielgerichtetes Verhalten, indem sie selbst im Rahmen der Zielvorgaben die Initiative übernehmen. Ein für Ablauf- 25

32 2 Grundlagen planungsaufgaben eingesetzter Agent könnte z.b. selbsttätig an der Planverbesserung arbeiten, wenn er gerade keine anderen Tätigkeiten auszuführen hat. Soziale Fähigkeiten: Intelligente Agenten können mit anderen Agenten möglicherweise auch mit Benutzern interagieren, um die gewünschten Zielvorgaben zu erreichen. Für den praktischen Einsatz von Agenten sind weitere Anforderungen sinnvoll. Wooldridge und Jennings ([WJ95]) nennen einige: Vernunft: Die Agenten weisen ein rationales Verhalten auf und verstoßen nicht wissentlich gegen die gesetzten Ziele. Ehrlichkeit: Ein ehrlicher Agent gibt grundsätzlich nur korrekte Informationen weiter und versucht nicht, sich durch Desinformation einen Vorteil zu verschaffen. Mobilität: Die Fähigkeit eines Agenten, sich innerhalb eines elektronischen Netzwerks zu bewegen. Wohlwollen: Wohlwollende Agenten haben widerspruchsfreie Ziele und versuchen, ihr Handeln auf die gegebenen Ziele abzustimmen Architekturen Zur Realisierung eines Agenten ist die Erarbeitung von möglichen Architekturen notwendig. Dazu werden zunächst bisher abstrakt beschriebene Begriffe etwas formaler eingeführt (Wooldridge, [Woo99]). Hier sollen Agenten betrachtet werden, die über interne Zustände ähnlich einem Automaten verfügen. Der Agent interagiert mit seiner Umgebung, indem er externe Beobachtungen (see) auf interne Wahrnehmungen (perception) abbildet, und darauf in Form einer geeigneten Handlung (action) reagiert. Ein proaktiver Agent kann darüber hinaus ohne äußeren Einfluss aktiv werden. Abbildung zeigt den schematischen Aufbau, Definition 2.8 erläutert das Zusammenwirken der Komponenten. Da ein Agent sowohl reaktive, als auch proaktive Verhaltensweisen zeigen soll, muss er über verschiedene Teilsysteme verfügen, um diesen unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden. Zur Modellierung bietet sich eine aus Schichten bestehende Architektur an. 4 Angelehnt an [Woo99] 26

33 2.3 Agentensysteme Abbildung 2.5: Schematische Darstellung eines Agenten Definition 2.8: Arbeitsweise eines Agenten A: Menge der möglichen Aktionen des Agenten, I: Menge der internen Zustände eines Agenten, S: Menge der beobachtbaren Zustände der Umgebung, P: Menge der Wahrnehmungen des Agenten. see : S P action : I A next : I (P ε) I Wooldridge ([Woo99]) beschreibt für Schichtenarchitekturen zwei grundsätzliche Arten des Datenflusses (Abbildung ): Horizontale Anordnung: In einer horizontalen Architektur (Abbildung 2.6(a)) sind alle Schichten direkt mit Wahrnehmungs- und Aktionseinheit verbunden. Jede einzelne Schicht arbeitet quasi als eigenständiger Agent. Vertikale Anordnung: In einer vertikalen Architektur (Abbildung 2.6(b) und 2.6(c)) sind Wahrnehmungs- und Aktionseinheit nur mit maximal einer Schicht verbunden. 5 Entnommen aus [Bro01] 27

34 2 Grundlagen a) b) c) Aktionen Schicht n Schicht n Schicht n Wahrnehmung... Schicht 2 Aktionen... Schicht 2... Schicht 2 Schicht 1 Schicht 1 Schicht 1 Wahrnehmung Wahrnehmung Aktionen Abbildung 2.6: Architekturen für Agenten Der große Vorteil von Architekturen mit horizontaler Anordnung besteht in der konzeptionellen Einfachheit: Für die Realisierung eines Agenten mit n unterschiedlichen Verhaltensweisen reicht es, n verschiedene Schichten zu implementieren. Es besteht allerdings die Gefahr, dass eine Art Wettstreit der einzelnen Schichten entsteht, da jede unabhängig Aktionen auslösen kann. Das Gesamtverhalten des Agenten ist dann nicht mehr kohärent. Um ein kohärentes Verhalten des Agenten zu gewährleisten, wird üblichweise eine spezielle Schlichtungsfunktion integriert, die entscheidet, welche Schicht zum aktuellen Zeitpunkt die Kontrolle ausüben darf. Das Design einer solchen Funktion gestaltet sich jedoch sehr aufwändig, da sehr viele Interaktionen zwischen den Schichten denkbar sind. Außerdem kann sich eine solche zentrale Überwachungsinstanz schnell als Flaschenhals für das Gesamtsystem erweisen. Vertikale Architekturen werden in One-Pass-Architekturen (Abbildung 2.6(b)) und Two- Pass-Architekturen (Abbildung 2.6(c)) unterschieden. Bei einer One-Pass-Architektur durchläuft der Kontrollfluss sequentiell jede Schicht, bevor in der letzten Schicht eine Aktion ausgelöst wird. Eine Two-Pass-Architektur leitet die Informationen der Wahrnehmungseinheit zunächst durch alle Schichten bis nach oben, bevor dann der Kontrollfluss in umgekehrter Richtung abläuft. 28

35 2.3 Agentensysteme Die Two-Pass-Architektur weist Ähnlichkeiten mit der Arbeitsweise großer Organisationen auf, auch dort werden wichtige Informationen bis in die höchste Instanz geleitet, bevor dort eine nach unten laufende Handlungskette angestoßen wird Multiagenten-Systeme Henseler definiert ein Multiagenten-System als [...] eine endliche Menge nebenläufiger Agenten, die über Nachrichten oder gemeinsame Variablen miteinander kommunizieren können. ([Hen98]). Das Multiagenten-System soll dabei von Synergieeffekten profitieren und über weitere Fähigkeiten, wie z.b. Selbstorganisation oder Reaktionsfähigkeit auf unvorhergesehene Ereignisse, verfügen. Nach außen stellt sich ein solches System als ein einziges System dar. Ein sinnvoller Einsatz von Multiagenten-Systemen ist nur dann möglich, wenn die einzelnen Agenten koordiniert und kooperierend zusammenarbeiten. Um diese Eigenschaften zu gewährleisten, sind unterschiedliche Organisationsformen denkbar. Laut Henseler ([Hen98]) sind folgende für Planungssysteme interessant: Zentralistische und hierarchische Organisation: Die Agenten sind in einer vorgegebenen Master-Slave-Beziehung angeordnet. Diese Struktur wird verwendet, um Ressourcen zu verwalten oder Arbeit auf verschiedene Agenten zu verteilen. Im Konfliktfall existiert eine klare Weisungsbefugnis. Marktorientierte Organisationsformen: Alle Agenten sind gleichberechtigt an der Kommunikation beteiligt und kämpfen auf einem von Angebot und Nachfrage geregelten Markt um Ressourcen. Kooperierende Experten: Jeder Agent ist auf ein bestimmtes Gebiet spezialisiert. Im Bedarfsfall kann er den Expertenrat eines anderen Agenten einholen. Teams: Agenten schließen sich (dynamisch) zu Teams zusammen, um gemeinsam ein Problem zu lösen. Zwingende Voraussetzung für Kooperation ist die Möglichkeit der Kommunikation. Zwei unterschiedliche Verfahren werden bei Multiagenten-Systemen eingesetzt: Shared Memory: Hier läuft die Kommunikation über gemeinsame, allen Agenten zugängliche Datenstrukturen ab. Nachrichten sind ungerichtet, d.h., sie haben keinen bestimmten Empfänger und können von allen eingesehen werden. 29