Übersicht laufender Forschungsprojekte

In Distributionszentren ist die Kommissionierung eine zentrale logistische Aufgabe, die auf allen Wertschöpfungsstufen durchgeführt werden muss. Durch eine gleichmäßige Auftragseinlastung wird in der Kommissionierung versucht die meist stark schwankende Kundennachfrage zu glätten und dabei trotzdem den Servicegrad mit geforderter Durchlaufzeit zu erfüllen. Logistikdienstleister (LDL) greifen dabei meist auf ihre Erfahrungen zurück. Es fehlt ein allgemeingültiger, öffentlich zugänglicher Standard zur Nivellierung in der Kommissionierung, sodass Unternehmen auch ohne Erfahrung ihre Auftragseinlastung optimal planen können. Das Forschungsvorhaben „Glätten und Nivellieren in der Kommissionierung“ hat zum Ziel ein allgemeingültiges Konzept zur Nivellierung in der Kommissionierung sowie Methoden zur exakten Analyse der Leistungsfähigkeit der nivellierten Auftragsabwicklung und zur Bestimmung des benötigten Personalbedarfs zu entwickeln. Hierzu wird ein standardisiertes Nivellierungskonzept der Kommissionierung entwickelt. Dieses wird als Markov-Kette abgebildet, die eine exakte Beurteilung der Leistungsfähigkeit der nivellierten Auftragsabwicklung und die Bestimmung des benötigten Personalbedarfs ermöglicht. Anhand einer numerischen Studie wird der Einfluss verschiedener Ansätze der Arbeitszeitgestaltung auf die Leistungsfähigkeit der Kommissionierung ermittelt und in Form eines Leitfadens zusammengefasst. Die Ergebnisse ermöglichen KMUs eine genaue und frühzeitige Abschätzung der Kommissionierkosten und eine präzise Planung der Auftragseinlastung und des Personalbedarfs anhand der definierten Standards. Dadurch werden Planungsrisiken reduziert und durch die erzeugte Transparenz Vorteile bei der Akquise geschaffen und Missverständnisse zwischen Unternehmen und LDL vermieden. Außerdem wird das Risiko von Fehleinschätzungen vermindert. Anhand eines Benchmarking der Realität mit dem Modell können individuelle Verbesserungspotentiale identifiziert werden.

Da auch KMU zunehmend in globalen Wertschöpfungsnetzwerken (WSNs) agieren und ihre Variantenvielfalt stetig zunimmt, haben die Zuteilung von Produktvarianten sowie die Anpassung von Strukturen und Kapazitäten in WSNs einen großen Einfluss auf deren Wettbewerbsfähigkeit. Das Forschungsprojekt „ProdAllo.net“ zielt auf die Entwicklung einer KMU-gerechten Methodik zur effizienten Allokationsplanung von dynamischen Erweiterungen des Produktprogramms sowie deren Wechselwirkung mit der Anpassung von Strukturen und Kapazitäten globaler WSN ab. Dazu wird zunächst eine Methode zur Clusterung von Produktvarianten entwickelt, um die hohe Komplexität bei der Allokationsplanung zu reduzieren. Parallel werden Gespräche mit den Unternehmen des Projektbegleitenden Ausschusses geführt, um deren Anforderungen an die Charakterisierung von Produktionsstrukturen und -kapazitäten im WSN aufzunehmen und eine Datenstruktur für das Optimierungsmodell zu erarbeiten. Darauf aufbauend erfolgt die Methodenentwicklung zur Entscheidungsunterstützung bei der dynamischen Produktallokation und Konfigurationsanpassung von globalen WSNs. Diese beinhaltet ein Optimierungsmodell zur integrierten Allokationsplanung und Netzwerkanpassung sowie Analysemethoden, die zu einer Erhöhung der Ergebnistransparenz sowie zur Identifikation von Produktionsengpässen und Maßnahmen zur weiteren Lösungsverbesserung beitragen. Die KMU-taugliche Anwendbarkeit der Methodik wird durch deren Umsetzung in einem Softwaredemonstrator sowie dessen Beschreibung in einem Praxisleitfaden sichergestellt. Die entwickelte Methodik bietet produzierenden Unternehmen eine quantitativ abgesicherte Entscheidungsunterstützung zur Strategieentwicklung für ihre Produktallokation und die Konfigurationsanpassung ihrer WSNs. So können KMU trotz begrenzter Ressourcen kostenintensive Fehlentscheidungen bei Allokations- und Anpassungsentscheidungen im WSN vermeiden und weitere Maßnahmen zur Lösungsverbesserung identifizieren.

Aufgrund des demographischen Wandels nimmt der Anteil der Menschen mit eingeschränkter Bewegungsfähigkeit und Belastbarkeit stark zu. Für Unternehmen bedeutet dies, dass sie für eine Zuordnung von Aufgaben zu Mitarbeitern sowohl die individuelle Bewegungsfähigkeit und Belastbarkeit als auch die diesbezüglichen Anforderungen aller Arbeitsplätze im Detail kennen müssen. Die bestehenden Methoden zur Ergonomieanalyse sind mit dieser Aufgabe überfordert, weil sie die detaillierten Anforderungen der Arbeitsaufgaben bzw. Arbeitsplätze nicht mit der individuellen Bewegungsfähigkeit und Belastbarkeit der Mitarbeiter vergleichen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, eine grundsätzlich neue Form der Ergonomieanalyse zu entwickeln, die die Bewegungsfähigkeit und Belastbarkeit jedes einzelnen Mitarbeiters erfasst und mit den detaillierten Anforderungen jedes einzelnen Arbeitsplatzes abgleichen kann. Die Grundidee des Forschungsvorhabens ist es, dazu 1. die Bewegungsfähigkeit und Belastbarkeit der Mitarbeiter durch eine standardisierte Folge von Bewegungsübungen zu erfassen, 2. die Anforderungen der einzelnen Arbeitsplätze für einen Mitarbeiter zu erfassen und anhand der individuellen Körpermaße auf jeden einzelnen Mitarbeiter zu transformieren, 3. einen Abgleich der Anforderungen mit den Fähigkeiten und der Belastbarkeit automatisiert durchzuführen, um 4. systematisch geeignete Maßnahmen für eine ergonomische Verbesserung der Arbeitsplätze und eine bessere Aufgabenzuordnung abzuleiten. Um den Aufwand für die Erfassung gering zu halten, sollen die Bewegungen der Mitarbeiter mit 3D-Kameras und ggf. kostengünstigen Sensoren aufgenommen werden. Der Nutzen für KMU besteht darin, mit geringem Aufwand eine sehr detaillierte Ergonomieanalyse für alle Mitarbeiter durchführen zu können. Sie erhalten so sehr konkrete Hinweise auf Verbesserungsmaßnahmen und können so die Mitarbeiter wesentlich besser vor muskuloskelettalen Erkrankungen schützen.

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines regelbasierten Expertensystems zur Auswahl und Auslegung eines Transportsystems sowie die integrierte Erstellung eines materialflusseffizienten Layouts. Als Folge können Unternehmen eine parallele und damit ganzheitliche Layoutplanung mit reduziertem Aufwand durchführen und berücksichtigen dabei die Auswirkungen der Auslegung eines Transportsystems auf die Fabrikstrukturen und damit das Fabriklayout. Es sollen zunächst die Auswirkungen unterschiedlicher Transportsysteme auf die Gestaltung des Layouts erarbeitet werden. Zusätzlich wird auch die monetäre Bedeutung der Transportsystemauswahl untersucht. Daraufhin sollen diese Erkenntnisse zusammen mit dem Expertenwissen von Systemplanern bzgl. der Transportsystemauswahl und der Transportnetzplanung in einer Regelbasis gespeichert werden und mit Hilfe von Fuzzy Logic automatisiert für die integrierte Planung verwendet werden.
Produzierende aber auch beratende KMU erhalten durch das Expertensystem die Möglichkeit das spezifische Fachwissen von Fabrik- und Transportsystemplanungs-experten aufwandsarm und kostengünstig aufzunehmen und in Projekten anzuwenden. Die effiziente Layoutplanung und die kapitalintensive Anschaffung von Transportsystemen haben große Auswirkungen auf die Effizienz der Produktion und Logistik einer Fabrik. Infolge einer integrierten Durchführung von Layoutplanung und Transportsystemauswahl können Fehlplanungen und Fehlinvestitionen verringert und nachträgliche Anpassungen des Layouts vermieden werden, wodurch die Zeitspanne zum Produktionsstart verkürzt werden kann. Zugleich werden die Hemmnisse zur regelmäßigen Durchführung von Fabrikplanungsprojekten reduziert und eine kontinuierliche Anpassung der Fabrikstrukturen vorangetrieben. Dies trägt zu einer deutlichen Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit deutscher KMU bei.

Die Verwendung von Drohnen zum innerbetrieblichen Materialtransport ermöglicht durch die Bewegung in der dritten Dimension einen autonomen, flexiblen und schnellen Transport, eine Entlastung der Transportwege in der Ebene und damit eine Reduktion nicht-wertschöpfender Transporttätigkeiten. Dem konkreten Einsatz von Drohnen im Produktionsbetrieb von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) stehen jedoch noch Risiken und Hindernisse entgegen (z. B. Akkulaufzeit, Rentabilität, Rechtslage). Unklar ist zudem, welche rechtlichen/versicherungstechnischen, technischen und betrieblichen Voraussetzungen von Drohnenherstellern und anwendenden KMU für den Einsatz im Produktionsbetrieb geschaffen werden müssen und welche wirtschaftlichen und logistischen Potentiale dadurch entstehen. Eine Übertragbarkeit von gewerblichem und operativem Drohneneinsatz außerhalb von Gebäuden z. B. im Paketversand ist aufgrund der besonderen Herausforderungen (Schwierigkeiten bei der Ortung, Einschränkungen durch die technische Gebäudeausstattung) nicht einfach möglich.

Die Arbeitshypothese des geplanten Forschungsvorhabens besteht somit in der Annahme, dass durch eine Erforschung der Rahmenbedingungen und Ableitung von Handlungsempfehlungen der Einsatz von Drohnen zum innerbetrieblichen Materialtransport bei KMU gefördert und beschleunigt wird. Neben der Ermittlung von rechtlichen, technischen und betrieblichen Rahmenbedingungen erfolgt eine Ableitung von Anforderungen an die Fabrik bzw. Produktion sowie an zukünftige Drohnen. Durch die Entwicklung eines Vorgehens zur wirtschaftlichen und logistischen Potentialabschätzung des Einsatzes von Drohnen für den innerbetrieblichen Materialtransport können KMU die Wirtschaftlichkeit abschätzen. Zusammenfassend wird durch die Anwendung der angestrebten Forschungsergebnisse unmittelbar eine Potentialabschätzung des innerbetrieblichen Transportes mit Drohen sowie das Aufzeigen von Handlungsfeldern erreicht

Ziel der Forschungsarbeit ist es, die Automatisierungslücke in der Werkzeuglogistik durch den Einsatz mobiler Assistenzroboter zu schließen. Diese sollen ein benötigtes Werkzeug zum richtigen Zeitpunkt an die jeweilige Maschine liefern. Dadurch werden Zeiten für Beschaffungs- und Suchvorgänge von Werkzeugen reduziert, Stillstandszeiten minimiert sowie die Prozesssicherheit und die Verfügbarkeiten gesteigert. Zudem sollen Anbindungen an übergeordnete IT-Systeme vorgesehen werden, sodass einzelne Maschinen nach Priorisierung beliefert werden können und stets ersichtlich ist, wo sich wann welche Werkzeuge befinden. Darüber hinaus soll mit diesem System der Maschinenbediener durch eine Roboter-Kooperation unterstützt und damit die Produktivität der Gesamtanlage gesteigert werden. Hierzu sollen auf Basis einer Problem- und Anforderungsanalyse aktuelle Schwachstellen und Optimierungspotenziale identifiziert und in der Konzeption des Gesamtsystems aus mobilem Assistenzroboter und IT-Steuerungssystem sowie dessen Integration in die bestehende IT-Landschaft berücksichtigt werden. Durch eine demonstratorische Umsetzung gilt es das Konzept hinsichtlich wirtschaftlicher und technischer Kriterien zu evaluieren. Insbesondere kmU profitieren vom wirtschaftlichen Potenzial der Lösung, da diese aufgrund geringer Stückzahlen und großer Variantenvielfalt zahlreiche Werkzeugwechsel durchführen müssen. Das System kann flexibel und aufwandsarm an individuelle Anforderungen angepasst werden, wodurch Automatisierungslücken auch in kleineren Produktionssystemen und bei kmU unterschiedlicher Branchen geschlossen werden können. Dies ermöglicht eine höhere Ausbringungsmenge und günstigere Produkte bei gesteigerter Arbeitsqualität. Aus diesen Gründen kann die Automatisierung der Werkzeuglogistik mithilfe von Assistenzrobotik die Wettbewerbsfähigkeit von kmU langfristig erhöhen.

Die Entwicklung flexibler Handhabungsroboter und autonomer Fahrzeuge für logistische Prozesse ist aufgrund heterogener Objekte, variablen Umgebungsbedingungen und komplexen Eigenschaften der 3D-Sensorik eine große Herausforderung, die mit hohen finanziellen Risiken verbunden ist. Die 3D-Sensorik kann aus mehreren Sensoren bestehen und sich in der Sensortechnologie unterscheiden. Die Auswahl, Konfiguration und Positionierung der Sensoren werden aufwändig manuell und anwendungsspezifisch durchgeführt, simulative Tests sind bisher nicht möglich. Erst im Anschluss können Algorithmen entwickelt werden, die auf der Sensorkonfiguration basieren. Im Rahmen des Projektes VirtuOS soll ein online frei verfügbares Werkzeug entwickelt werden, mit dem Anwendungsszenarien im VR-Raum frei konfiguriert und Sensordaten realitätsnah simuliert werden können. Eine multi-kriterielle Optimierung liefert, abhängig von unterschiedlichen Optimierungskriterien anwendungsspezifisch optimale Sensorkonfigurationen. Abschließend werden dem Nutzer notwendige technische Anforderungen an die Sensorik übermittelt. Die Arbeitshypothese ist, dass sich die technologischen und umgebungsspezifischen Eigenschaften realitätsnah in der virtuellen Arbeitsumgebung abbilden lassen. Die KMU, insbesondere Automatisierungsunternehmen, Systemintegratoren sowie Anbieter von Sensorik und Bildverarbeitungslösungen können somit bei der Auswahl und Konfiguration der Sensorik für neue Arbeitsstationen bzw. Roboter unterstützt werden, wobei bisher ein sehr hohes Expertenwissen notwendig ist. Zudem beschleunigt das Werkzeug die Entwicklungszyklen und damit die schnelle Erschließung neuer Geschäftsfelder. Durch die Generierung von Test- bzw. Trainingsdaten für das Trainieren von maschinellen Lernsystemen profitieren KI-Startups ebenfalls, da ihnen durch den fehlenden Marktzugang bzw. das anwendungsspezifische Wissen häufig diese zur Produktentwicklung notwendigen Daten fehlen.

Shuttle-Systeme bilden eine flexible und dynamische Möglichkeit zur Lagerung kleiner Ladeeinheiten. Im Zuge der Entwicklung haben sich innerhalb weniger Jahre unterschiedliche Systemtypen herausgebildet, die sich beispielsweise durch die Bewegungsachsen der Shuttle-Fahrzeuge charakterisieren lassen. Den höchsten Durchsatz ermöglichen Shuttle-Systeme mit gassen- und ebenen-gebundenen Fahrzeugen. Sie entsprechen damit dem Trend zu steigender Dynamik automatisierter Lagersysteme. Der maximal erzielbare Durchsatz ist jedoch durch die Leistungsfähigkeit der Behälterlifte oder der einzelnen Shuttle-Fahrzeuge beschränkt. Weitere Lift- und Shuttle-Fahrzeuge in Schacht bzw. Gasse können den Durchsatz steigern – wenn die Koordination mehrerer Fahrzeuge im selben Schacht bzw. in derselben Gasse gelingt. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist eine Steigerung des Durchsatzes von Shuttle-Systemen mit gassen- und ebenen-gebundenen Fahrzeugen durch den Einsatz mehrerer Fahrzeuge in derselben Gasse und demselben Schacht. Um solche Systeme robust und effizient zu betreiben, sind Steuerungsstrategien zu entwickeln. Um eine durchsatzoptimale Konfiguration der Systeme zu ermöglichen, wird ein parametrierbares Simulationstool erstellt, in welches die entwickelten Strategien hinterlegt werden und das die Analyse und Bewertung unterschiedlicher Konfigurationen erlaubt. Durch die im Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse können alle in die Planungs- und Betriebsphase von Shuttle-Systemen eingebunden Parteien profitieren. Planungsunternehmen – häufig KMU – werden befähigt, für jeden Planungsfall eine möglichst wirtschaftliche Systemausprägung zu ermitteln, die den Anforderungen hinsichtlich des Durchsatzes und der Kapazität gerecht wird. Hier entsteht unmittelbarer Nutzen durch die Erkenntnisse zu den Steuerungsstrategien sowie durch das demonstratorische, simulationsbasierte Softwaretool zur Bestimmung des Durchsatzes und der zugehörigen Konfiguration.

Weltweit sind etwa 400 Mio. Euro-Paletten in Umlauf. Durch Umschlag und Transport werden die Ladungsträger abgenutzt und beschädigt, sodass ein Umlauf bis zu 4,96 € Wertverlust pro Palette bedeutet. Hierbei spielt auch eine entscheidende Rolle, ob Paletten bedarfsgerecht eingesetzt werden. Damit ist gemeint, dass je nach erforderlicher Qualitätsklasse auch eine entsprechende Palette genutzt wird. Auf diese Weise kann vorhersehbarer Wertverlust z. B. in Form von Verschmutzungen durch Baustoffe, die auf der Palette transportiert wurden, verhindert werden. Bedingt durch die großflächige Nutzung von Palettendienstleistern bzw. dem zeitversetzten Palettentausch gegen Scheine, tritt dieses Problem in den letzten Jahren besonders in den Vordergrund. Aufgrund der zahlreichen Einflussfaktoren und Abhängigkeit der Akteure im Palettentausch untereinander ist die Identifikation von Verbesserungspotentialen und darauf aufbauend eine aktive Gestaltung der Kooperationen in dieser Richtung insbesondere für KMU nur schwer möglich. An dieser Stelle setzt das Forschungsvorhaben SUPa – Simulationsbasierte Untersuchung im Palettentausch an. Mit Hilfe einer agenten-basierten Simulation werden die Auswirkungen spezifischer Rahmenbedingungen und des Verhaltens der beteiligten Akteure modelliert und quantifiziert. Hierfür werden zunächst relevante Szenarien identifiziert und den Ausprägungen der Einflussfaktoren (z. B. Verfügbarkeit von tauschbaren Leerpaletten der richtigen Qualitätsklasse, vorsortierte Paletten, Risiko des Wertverlusts durch Gütereigenschaften) jeweils Kosten zugeordnet. Durch Anpassung an die spezifischen Anforderungen eines Spediteurs kann dieser vor Angebotserstellung die zu erwartenden Kosten des Palettentauschs kalkulieren und entsprechend im Angebot berücksichtigen bzw. Kooperationsvereinbarungen treffen.

In Deutschland gibt es ca. 4500 professionelle Lohnunternehmer (LU), welche das Gros landwirtschaftlicher Logistikdienstleistungen übernehmen. Ihr Umsatz ist seit 2004 von 1,43 Mrd. € auf 2.25 Mrd. € in 2013 kontinuierlich gestiegen wächst weiter. Bei LU handelt es sich ausschließlich um kmU. Die gestiegene Komplexität bei der Beplanung ihrer Ressourcen, z.B. durch eine Zunahme der Auftragsvielfalt oder die gestiegene Volatilität in der Auftragslast und der Vielzahl der zur Verfügung stehenden Verfahrensalternativen bringen LU an organisatorische Grenzen. Gleichzeitig erhöht sich das Potential als auch die Notwendigkeit der Optimierung bei der Projektierung landwirtschaftlicher Logistikdienstleistungen. Derzeit fehlt es an geeigneten Ansätzen um wesentliche Prozesse, Ressourcen und Partner optimal und aufwandsarm abzustimmen. Zielgerichtete, automatisierbare Konzepte reduzieren nicht nur spürbar Planungsaufwände sondern machen reproduzierbare Analysen bezüglich der Auswirkung von Änderungen (z.B. Zukauf neuer Maschinen, Terminverschiebungen) erst möglich. Definierte Zielfunktionen lassen schließlich eine Optimierung der Ressourcenzuteilung und Prozesskettenwahl zu - die Wirtschaftlichkeit der Dienstleister wird deutlich gesteigert. Anhand von Einflussfaktoren, Wirkzusammenhängen und Restriktionen wird ein generisches Modell zur Beschreibung von Ernte- und TUL-Prozessen in der Landwirtschaft angegeben. Davon ausgehend können Verfahrensalternativen bei der Auftragsbearbeitung automatisiert abgeleitet werden. Diese Alternativen sind wesentliche Eingangsgrößen für das ressourcenbeschränkte Optimierungsproblem, welches bei der Auftragsplanung zu lösen ist. Dieses Problem wird durch die Antragsteller formalisiert und damit berechenbar gemacht. Zur Ermittlung optimaler Auftragspläne wird ein Algorithmus angegeben und in einem Berechnungswerkzeug implementiert, so dass entsprechende Anwender (z.B. Mitglieder des PA) die Erkenntnisse aus dem Projekt produktiv nutzen können.