Multi-Agenten-Systeme im Fahrzeugumschlag: agentenbasierte Planungsunterstützung für Seehafen-Automobilterminals
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Dt. Univ.-Verl.
2004
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| Ausgabe: | 1. Aufl. |
| Schriftenreihe: | Gabler Edition Wissenschaft
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Inhaltsverzeichnis IX
Abbildungsverzeichnis XVII
Tabellenverzeichnis XXI
Symbolverzeichnis XXIII
Abkürzungsverzeichnis XXIX
1 Einleitung 1
1.1 Problemeinführung 1
1.2 Zielsetzung der Arbeit 3
1.3 Aufbau der Arbeit 4
2 Problembeschreibung 7
2.1 Übersicht über die interorganisatorische Logistikkette 8
2.1.1 Fahrzeuganlieferung 9
2.1.2 Seehafen-Automobilterminals als Fahrzeugdrehscheiben 11
2.1.3 Fahrzeugauslieferung 13
2.2 Modellierung des Ist-Zustandes in einem Seehafen-Automobilterminal 14
2.2.1 Geschäftsprozessmodellierung 15
2.2.2 Geschäftsprozess „Umschlag Importfahrzeuge - Übersicht 19
2.2.3 Prozess „Umschlag Importfahrzeuge - Verfeinerung 21
2.2.3.1 Verfeinerung des Teilprozesses „Fahrzeugübemahme (Iml) ... 21
2.2.3.2 Verfeinerung des Teilprozesses „Fahrzeuglagerung (Im2) 23
2.2.3.3 Verfeinerung des Teilprozesses „Fahrzeugübergabe (Im3) 25
2.2.4 Beschreibung der Planungsprozesse 27
2.2.4.1 Planungsprozess „Disposition Kajenanleger 28
2.2.4.2 Planungsprozess „Zuweisung Eingangspuffer 29
2.2.4.3 Planungsprozess „Planung Lagerstellfläche 30
2.2.4.4 Planungsprozess „Planung Personaleinsatz 32
2.3 Schwachstellenanalyse 33
X Inhaltsverzeichnis
2.3.1 Planungsbezogene Schwachstellen 34
2.3.2 Technologische Schwachstellen 37
2.3.3 Organisationsübergreifende Schwachstellen 38
3 Modellierung des Fahrzeugumschlagproblems 41
3.1 Ansatzpunkte der Modellierung 42
3.1.1 Beschreibung des Fahrzeugumschlagproblems 42
3.1.2 Dekomposition des Fahrzeugumschlagproblems 44
3.1.3 Auftragseingang als dynamische Planungskomponente 45
3.1.4 Rollierende Planung des Fahrzeugumschlags 46
3.1.4.1 Aktualisierungsstrategien 47
3.1.4.2 Umplanungsstrategien 47
3.2 Modellierung übergreifender Problemeigenschaften 50
3.2.1 Allgemeine Prämissen 50
3.2.2 Repräsentation zeitlicher Gegebenheiten 51
3.2.3 Repräsentation räumlicher Gegebenheiten 52
3.2.4 Repräsentation der Umschlagaufträge für Importfahrzeuge 53
3.3 Modellierung der Hafendisposition 56
3.3.1 Prämissen zur Modellierung der Hafendisposition 57
3.3.2 Komplexitätsabschätzung für das Problem der Hafendisposition 57
3.3.3 Modellformulierung für die Hafendisposition 59
3.3.3.1 Modellierung der Entladungsplanung 60
3.3.3.2 Modellierung der Einlagerungsterminierung 64
3.3.3.3 Zielfunktionen für die Hafendisposition 65
3.4 Modellierung der Stellflächen- und Personaleinsatzplanung 68
3.4.1 Prämissen zur Stellflächen- und Personaleinsatzplanung 69
3.4.2 Komplexitätsabschätzung für das Problem der Stellflächen- und
Personaleinsatzplanung 69
3.4.3 Modellformulierung für die Stellflächen-und Personaleinsatzpianung.... 71
3.4.3.1 Modellierung der Stellflächenplanung 72
Inhaltsverzeichnis XI
3.4.3.2 Modellierung der Personaleinsatzplanung 75
3.4.3.3 Zielfunktionen ftlr die Stellflächen- und
Personaleinsatzplanung 79
3.5 Dynamische Erweiterung des Modells 83
4 Multi-Agenten-Systeme zur Unterstützung komplexer betrieblicher
Entscheidungsprobleme 87
4.1 Grundlagen der Agententechnologie 88
4.1.1 Begriff und Wesen von Agenten 88
4.1.2 Klassifizierung von Agenten 92
4.1.3 Agentenarchitekturen 94
4.2 Aufbau von Multi-Agenten-Systemen 97
4.2.1 Systemabgrenzung 98
4.2.2 Repräsentation dekomponierbarer Problemstellungen durch
Multi-Agenten-Systeme 101
4.2.3 Kommunikation in Multi-Agenten-Systemen 103
4.2.3.1 Prozedurale Kommunikation 103
4.2.3.2 Blackboard-Systeme 104
4.2.3.3 Nachrichtenbasierte Informationsübermittlung 105
4.2.4 Koordinationstechniken in Multi-Agenten-Systemen 105
4.2.4.1 Organisatorische Strukturierung 106
4.2.4.2 Kontrakt-Verfahren 106
4.2.4.3 Verhandlungen 109
4.2.5 Integrierte wissensbasierte Lernsysteme 110
4.3 Realisierte Multi-Agenten-Systeme für betriebswirtschaftliche
Anwendungsszenarien 112
4.3.1 Multi-Agenten-Systeme zur Unterstützung logistischer Planungs¬
und Entscheidungsprobleme 112
4.3.1.1 Multi-Agenten-Systeme im Bereich der Transportlogistik 113
4.3.1.2 Multi-Agenten-Systeme im Bereich der
Produktionslogistik 115
4.3.1.3 Multi-Agenten-Systeme im Bereich der Lagerlogistik 116
XII Inhaltsverzeichnis
4.3.1.4 Multi-Agenten-Systeme im Bereich der
Krankenhauslogistik 119
4.3.2 Multi-Agenten-Systeme im Bereich der Informationslogistik 120
4.3.3 Multi-Agenten-Systeme im Geschäftsprozessmanagement 122
5 Multi-Agenten-Architektur zur Unterstützung des FUP 125
5.1 Architektur des Multi-Agenten-Systems 125
5.1.1 Begründung des Ansatzes 126
5.1.2 Dekomposition der zugrunde liegenden Planungsproblemstellung
und deren Abbildung in ein Multi-Agenten-System 129
5.2 Komponentenspezifikation 135
5.2.1 Verwaltungssystem FUP_VWS 136
5.2.2 Teilplanungssystem FUP_SEA 139
5.2.3 Teilplanungssystem FUP_MAS 142
5.2.3.1 Flächenagent (FA) 144
5.2.3.2 Lagerschätzagent (LSA) 146
5.2.3.3 Schichtagent (SA) 147
5.2.3.4 Planungskoordinatoragent (PKA) 149
6 Lösungsverfahren für das dynamische Fahrzeugumschlagproblem
im Rahmen des Multi-Agenten-Systems 153
6.1 Strategien zur Ermittlung einer Aufgabenreihenfolge 154
6.1.1 Wahl der Aufgabenreihenfolge im Rahmen der Hafendisposition 154
6.1.2 Wahl der Aufgabenreihenfolge im Rahmen der Stellflächen- und
Personaleinsatzplanung 155
6.2 Algorithmische Spezifikation der Hafendisposition 157
6.2.1 Arbeitsweise des Schiffseingangsagenten (SEA) 158
6.2.2 Verfahren zur Kajenanlegerzuweisung 161
6.2.2.1 Alternierendes Verfahren zur Kajenanlegerzuweisung 161
6.2.2.2 Heuristisches Verfahren zur belegungsgradabhängigen
Kajenanlegerzuweisung 162
6.2.3 Verfahrensansätze zur Eingangspufferzuweisung 164
Inhaltsverzeichnis XHI
6.2.3.1 An die Kajenanleger gekoppelte Eingangspufferzuweisung 164
6.2.3.2 Heuristisches Verfahren zur Eingangspufferzuweisung 164
6.2.4 Verfahren zur Eingangspufferräumung 165
6.2.4.1 Eingangspufferräumung nach dem FIFO-Prinzip 165
6.2.4.2 Eingangspufferräumung auf der Grundlage eines
Algorithmus zur Verschnittoptimierung 167
6.2.5 Heuristische Verfahren zur Aufgabenterminierung 169
6.2.5.1 Grobterminierung der Entladungsaufgaben 169
6.2.5.2 Grobterminierung der Einlagerungsaufgaben 171
6.3 Algorithmische Spezifikation der Stellflächen- und Personal¬
einsatzplanung 172
6.3.1 Arbeitsweise des Multi-Agenten-Systems FUP_MAS 173
6.3.2 Verfahren zur Lagerdauerschätzung 177
6.3.2.1 Statische Schätzformel 178
6.3.2.2 Learning-Classifier-System zur Lagerverweildauer¬
schätzung 178
6.3.2.3 Regelbasiertes Schätzverfahren 182
6.3.3 Lösungsverfahren zur Stellflächenplanung 183
6.3.3.1 Heuristisches Lösungsverfahren zur Stellflächenplanung 185
6.3.3.2 Genetische Lösungsverfahren zur Stellflächenzuweisung 188
6.3.4 Lösungsverfahren zur Personaleinsatzplanung 201
6.3.4.1 Konstruktionsheuristik zur Grobterminierung von
Verfahrungsaufgaben 201
6.3.4.2 Konstruktionsheuristik zur Feinterminierung von
Verfahrungsaufgaben 204
6.3.4.3 Heuristisches Verfahren zur Fahrerzuweisung 205
7 Evaluation der agentenbasierten Lösungsansätze 207
7.1 Evaluationskonzept 208
7.1.1 Testszenario für das Fahrzeugumschlagproblem 209
7.1.1.1 Zeitliche Gegebenheiten 209
XIV Inhaltsverzeichnis
7.1.1.2 Räumliche Gegebenheiten in einem Seehafen-
Automobilterminal 210
7.1.1.3 Umschlagaufträge 210
7.1.2 Dynamische Testinstanzen 211
7.1.3 Vorgehensweise des Testdatengenerators zur Erzeugung von
Testinstanzen 213
7.2 Evaluation des Planungssystems FUP_SEA 215
7.2.1 Konfigurationen des Teilplanungssystems FUPSEA 215
7.2.2 Analyse der Planungsergebnisse für das Hafendispositionsproblem 218
7.2.2.1 Analyse im Hinblick auf die Maximierung der
Kundenzufriedenheit 218
7.2.2.2 Analyse im Hinblick auf die Maximierung planerischer
Freiheitsgrade 222
7.2.2.3 Robustheit der heuristischen Lösungsverfahren zur
Hafendisposition 223
7.2.2.4 Laufzeitverhalten der Lösungsverfahren 224
7.3 Evaluation des Multi-Agenten-Systems FUP_MAS 226
7.3.1 Konfigurationen des Systems FUP_MAS 227
7.3.1.1 Konfiguration des Systems FUP_MAS 228
7.3.1.2 Konfiguration der in FUP_MAS eingesetzten
Lösungsverfahren 229
7.3.1.3 Reihenfolge der Fahrzeuggruppen und Planänderungen 232
7.3.2 Analyse operativer Fragestellungen 233
7.3.2.1 Diskussion der Planungsergebnisse aus operativer Sicht 234
7.3.2.2 Robustheit der Lösungsverfahren in Bezug auf die
operative Zielsetzung 241
7.3.2.3 Laufzeitanalyse 242
7.3.3 Analyse strategischer Fragestellungen 243
7.3.3.1 Erweiterung des Testszenarios 243
7.3.3.2 Diskussion der Ergebnisse aus strategischer Sicht 245
7.4 Zusammenfassung der Planungsergebnisse 252
Inhaltsverzeichnis XV
8 Zusammenfassung und Ausblick 255
Literaturverzeichnis 263
Anhang 279
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 2.1: Interorganisatorische Logistikkette zur Fahrzeugüberfilhrung 9
Abbildung 2.2: Seehafen-Automobilterminals als Umschlagpunkte für Automobile 12
Abbildung 2.3: Begriffssystem für die Geschäftsprozessmodellierung 18
Abbildung 2.4: Übersicht Geschäftsprozess „Umschlag Importfahrzeuge 20
Abbildung 2.5: Verfeinerung des Geschäftsprozesses „Fahrzeugübernahme (Iml) 22
Abbildung 2.6: Verfeinerung des Geschäftsprozesses „Fahrzeuglagerung (Im2) 24
Abbildung 2.7: Verfeinerung des Geschäftsprozesses „Fahrzeugübergabe (Im3) 26
Abbildung 3.1: Aufgabenketten beim Fahrzeugumschlag über ein Seehafen-
Automobilterminal 43
Abbildung 3.2: Umplanungsstrategien im Rahmen einer rollierenden Planung 48
Abbildung 4.1: Modulare deliberative Agentenarchitektur
(in Anlehnung an Brenner et al. 1998) 96
Abbildung 4.2: Teilgebiete der VKI nach Bond und Gasser(1988) 99
Abbildung 4.3: Repräsentation einer dekomponierbaren Problemstellung
durch ein Multi-Agenten-System 101
Abbildung 4.4: Übersicht über Multi-Agenten-Systeme zur Unterstützung
logistischer Problemstellungen 113
Abbildung 5.1: Multi-Agenten-Architektur für das Fahrzeugumschlagproblem 134
Abbildung 5.2: UML-Klassendiagramm des Verwaltungssystems FUPVWS 137
Abbildung 5.3: UML-Klassendiagramm des Teilplanungssystems FUPSEA 139
Abbildung 5.4: Aufbau des Schiffseingangsagenten (SEA) 140
Abbildung 5.5: UML-Klassendiagramm des Teilplanungssystems FUPMAS 142
Abbildung 5.6: Klassendiagramm Flächenagent (FA) 144
Abbildung 5.7: Klassendiagramm Lagerschätzagent (LSA) 146
Abbildung 5.8: Klassendiagramm Schichtagent (SA) 148
Abbildung 5.9: Klassendiagramm Planungskoordinatoragent 150
Abbildung 6.1: Sortierfunktion im Rahmen der Strategie 2 156
Abbildung 6.2: Arbeitsablauf des Schiffseingangsagenten (SEA) 158
XViU Abbildungsverzeichnis
Abbildung 6.3: Verschnittoptimierender Algorithmus zur Eingangspufferräumung 168
Abbildung 6.4: Vorgehen im Rahmen einer Entladungsterminierung 170
Abbildung 6.5: Arbeitsablauf des Multi-Agenten-Systems FUP_MAS 174
Abbildung 6.6: Repräsentation einer Klassifikation mit Handlungs- und
Bedingungsteil 179
Abbildung 6.7: Ermittlung einer Stellflächenfolge zur Zwischenlagerung 187
Abbildung 6.8: Vorgehensweise im Rahmen eines einfachen Basis-GA 189
Abbildung 6.9: Repräsentation einer Stellfiächen-Prioritätliste für SSG 191
Abbildung 6.10: Veranschaulichung des Crossover-Operators
für das SSG-Verfahren 193
Abbildung 6.11: Veranschaulichung des Mutations-Operators
ftir das SSG-Verfahren 194
Abbildung 6.12: Repräsentation einer Stellflächen-Prioritätsliste
für das Verfahren MSG 195
Abbildung 6.13: Veranschaulichung des Crossover-Operators CO1
für das MSG-Verfahren 198
Abbildung 6.14: Veranschaulichung des Crossover-Operators CO2
für das MSG-Verfahren 199
Abbildung 6.15: Zeitfenster einer Aufgabe und zulässige Schichten 201
Abbildung 6.16: Veranschaulichung der Angebotsdaten des Schichtagenten SA10 202
Abbildung 6.17: Einplanung einer Aufgabe bei gegebener Ausfuhrungszeit 205
Abbildung 6.18: Aufgabenspezifische Fahreranmietung 206
Abbildung 7.1: Verbesserung der Schiffswartezeit gegenüber
der Systemvariante FUP_SEA/HV1 220
Abbildung 7.2: Jährliche Warte- und Liegekosten beim Einsatz
der Systemvarianten FUPSEA/HV1 bis FUPSEA/HV5 222
Abbildung 7.3: Systemlaufzeiten der Lösungsverfahren des Systems FUP_SEA 225
Abbildung 7.4: Ergebnisverbesserung gegenüber einem praxisnahen
Planungsszenario 240
Abbildung 7.5: Laufzeitvergleich der Systemvarianten 242
Abbildung 7.6: Verteilung des Verfahrungsaufwands auf Stamm- und
Mietfahrer bei unterschiedlicher Stammfahreranzahl 246
Abbildungsverzeichnis XIX
Abbildung 7.7: Prozentuale Auslastung der Stammfahrer für variierende
Stammfahreranzahlen 247
Abbildung 7.8: Entwicklung der Abweichungsquadrate bei variierender
Stammfahreranzahl 248
Abbildung 7.9: Kostenverläufe in Abhängigkeit von der Stammfahreranzahl
für unterschiedliche Kostenzuschläge 249
Abbildung 7.10: Personalkosten im Vergleich zu einem abstrahierten Realszenario 251
Tabellenverzeichnis
Tabelle 4.1: Klassifikation von Agenten 93
Tabelle 7.1: Definition von Problemklassen anhand von Herstelleranteilen 212
Tabelle 7.2: Gemittelte kumulierte Schiffswartezeiten und Schiffsliegezeiten für
FUP_ SEA/HV1 bis FUP_SEA/HV5 219
Tabelle 7.3: Durchschnittliche Eingangspufferverweildauer für FUP_SEA/HV 1
bis FUP_SEA/HV5 223
Tabelle 7.4: Gemittelte Ergebnisse für einzelne Problemklassen
mit FUP_SEA/HV1 bis FUP_SEA/HV5 224
Tabelle 7.5: Parameterkonfiguration der genetischen Algorithmen zur
Stellflächenplanung 230
Tabelle 7.6: Gemittelte Zielfunktionswerte im Vergleich für pSF = 60 234
Tabelle 7.7: Prozentuale Ergebnisverbesserung der genetischen Systemvarianten
im Vergleich zu FUP_MAS/HV 236
Tabelle 7.8: Prozentuale Ergebnisverbesserung bei Einbeziehung der
Umplanungsoption 238
Tabelle 7.9: Gemittelte Zielfunktionswerte für die verschiedenen Problemklassen 241
Tabelle 7.10: Ergebnisse für die Systemvariante FUP_MAS/FSG mit
Umplanungsoption für eine variierende Stammfahreranzahl 246
Tabelle A.l: Schiffswartezeiten für die einzelnen FUP-Instanzen 279
Tabelle A.2: Schiffsliegezeiten für die einzelnen FUP-Instanzen 280
Tabelle A.3: Durchschnittliche Eingangspufferverweildauern für die einzelnen
FUP-Instanzen 281
Tabelle A.4: Gemittelte Zielfunktionswerte für variierende
Planungshorizonte T™ 282
Tabelle A.5: Gemittelte Zielfunktionswerte für unterschiedliche Strategien
zur Aufgabensortierung 283
Tabelle A.6: Gemittelte Zielfunktionswerte für 20 reguläre Lagerstellflächen 283
Tabelle A.7: Einzelergebnisse mit den FUP-Instanzen für FUPMAS/HV 284
Tabelle A.8: Einzelergebnisse mit den FUP-Instanzen fllr FUP_MAS/SSG 285
Tabelle A.9: Einzelergebnisse mit den FUP-Instanzen für FUPMAS/MSG 286
XXII Tabellenverzeichnis
Tabelle A.10: Einzelergebnisse mit den FUP-Instanzen fiir FUP_MAS/FSG 287
Tabelle A. 11: Gemittelte Zielfunktionswerte für unterschiedliche
Stammfahreranzahlen 288
Tabelle A.12: Terminalbetriebskosten bei einem Planungsansatz
ohne Umplanungsoption 289
Tabelle A.13: Terminalbetriebskosten bei einem Planungsansatz
mit Umplanungsoption 290
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