Strukturvarianz in wandlungsfähigen Produktions- und Logistiksystemen

Einleitung und begriffliche Einordnung

Produzierende Unternehmen konkurrieren heute oftmals in einem globalen Marktumfeld und müssen eine Vielzahl an Herausforderungen wie die zunehmende Bedienung individualisierter Kundenwünsche und die damit verbundenen Anforderungen an Produktions- und Logistiksysteme bewältigen [1]. Um diese Anforderungen bedienen zu können und damit wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen ihre Produktions- und Logistiksysteme veränderungsfähig sein.

Allgemein ist Veränderungsfähigkeit ein Oberbegriff für die unterschiedlichen Veränderungstypen entsprechend den klassischen Hierarchieebenen einer Fabrik [2]. Im Rahmen des Beitrags sind insbesondere die System- und Bereichsebene relevant und damit verbunden die Wandlungsfähigkeit als Veränderungstyp. Diese taktische Fähigkeit ermöglicht, dass Systeme sich frühzeitig und proaktiv innerhalb eines vorgedachten Wandlungsbereichs verändern können [2]. Dieser Bereich umfasst mehrere Flexibilitätskorridore, die nur kurzfristige Reaktionen auf Veränderungen ermöglichen. Nach [2] wird die Erweiterung der Wandlungsfähigkeit auf die Netzwerkebene als Agilität bezeichnet; diese beschreibt eine strategische Fähigkeit eines Produktionsnetzwerks, bestmöglich auf bekannte und unbekannte Veränderungen vorbereitet zu sein sowie effizient und proaktiv auf diese reagieren zu können. Sie wird jedoch im Rahmen des Beitrags nicht weiterverfolgt, da der Betrachtungsfokus innerhalb der Fabrik liegt.

Wandlungsfähige Produktions- oder Logistiksysteme werden weitestgehend lösungsneutral geplant [3]. Daraus ergibt sich die Möglichkeit zur effizienten Veränderbarkeit von Produktions- und Logistikstrukturen; diese Strukturen werden durch die Gesamtheit der miteinander verknüpften Elemente eines Produktions- oder Logistiksystems beschrieben [4]. Dabei zählen zu den grundlegenden strukturellen Elementen Stationen, Strecken, Verzweigungen und Zusammenführungen [5], die über Material- oder Informationsflüsse miteinander verbunden sind. Der Fokus dieses Beitrags liegt auf der Veränderbarkeit dieser grundlegenden Strukturen auf Systemebene; strukturelle Änderungen auf Prozessebene stehen nicht im Vordergrund. In Anlehnung an Tabeling [6] wird die Möglichkeit zur bewussten und aufwandsarmen Veränderung (Varianz) einer Systemstruktur über eine vorgesehene Systembetrachtungsdauer als Strukturvarianz bezeichnet. Die Berücksichtigung der Strukturvarianz bereits in der Systemplanung begründet – aufgrund ihrer komplexen Wirkzusammenhänge – vielfältige Forschungen, die im Rahmen dieses Beitrags durch eine systematische Literaturrecherche zur Wandlungsfähigkeit und Strukturvarianz im Kontext Produktion und Logistik vorgestellt und synthetisiert werden. Ergebnisse der Recherche sind die Herausarbeitung verschiedener Arten der Strukturvarianz und die Identifizierung strukturbezogener Wandlungsbefähiger, die eine aufwandsarme strukturelle Veränderung ermöglichen und durch ihre individuellen Eigenschaften beschrieben werden. Anhand der Eigenschaften werden Bewertungskriterien ausgearbeitet, welche die bereits vorhandenen planungsrelevanten Kennzahlen (z. B. Durchsatz, Durchlaufzeit oder Bestände) ergänzen und eine Bewertung von Strukturvarianten zulassen. Zudem wird anhand der strukturbezogenen Wandlungsbefähiger eine Kategorisierung von Eigenschaften wandlungsfähiger Produktions- und Logistiksystemstrukturen vorgeschlagen.

Arten der Strukturvarianz

Damit die Systemstruktur in einer vorgesehenen Systembetrachtungsdauer bewusst verändert werden kann, müssen die verschiedenen Möglichkeiten für strukturelle Veränderungen festgelegt werden. Mithilfe einer Literaturrecherche wurden relevante Ansätze, die sich mit strukturellen Veränderungen beschäftigen, identifiziert und ausgewertet, um Arten der Strukturvarianz (Tabelle 1) für den Bereich Produktion und Logistik festzulegen. Durch diese Strukturvarianzarten können unterschiedliche Systemstrukturvarianten, die grundsätzlich denselben Prozess beschreiben, erzeugt werden. Unabhängig von der Strukturvarianzart muss aber grundsätzlich bei jeder strukturellen Veränderung geprüft werden, ob die geforderte Systemleistung mit den Veränderungen sichergestellt werden kann [7].

Tabelle 1

Arten der Strukturvarianz einschließlich Beispiele und referenzierter Quellen

Die Arten der Strukturvarianz stehen mitunter in einer Wirkbeziehung zueinander; so ändert das Hinzufügen oder Entfernen von Elementen implizit auch deren Verbindungsstruktur. Im einfachsten Fall bleiben die Menge und Anordnung an Elementen bestehen und nur die Verbindungsstruktur wird gezielt verändert. Dadurch kann der Materialfluss innerhalb der Struktur geändert werden [3]. Zudem können auch neue Verbindungen zwischen Elementen hinzugefügt werden. Durch die Kombination dieser grundlegenden Arten der Strukturvarianz lassen sich die heute bekannten strukturellen Änderungen eines Systems darstellen. Jedoch ist es sinnvoll, im Kontext von Produktions- und Logistiksystemen, auch das Zusammenfügen von mehreren Elementen sowie das Ersetzen eines Elements (Substitution) zu betrachten. Bei der Substitution kann ein Element gezielt durch ein anderes Element ersetzt werden [3] oder sogar die bisherige Technologie substituiert werden (z. B. Laserschneiden statt Stanzen) [8].

Neben der bewussten Veränderung der Menge an Elementen und deren Verbindungen kann auch ein vorhandenes Element geändert werden. Diese individuelle Veränderung eines Elements hat nur indirekt einen Einfluss auf die Systemstruktur und wird deshalb nicht als eigene Strukturvarianzart definiert. Strukturveränderungen auf der Netzwerkebene, wie die Verlagerung eines Produktionsbereichs [9], finden auf der beschriebenen Betrachtungsebene keine Anwendung und werden im Rahmen dieses Beitrags nicht näher betrachtet.

Strukturbezogene Wandlungsbefähiger und deren Bewertung

Die wissenschaftliche Literatur unterscheidet eine Vielzahl an Wandlungsbefähigern (vgl. u. a. [11, 12]), welche in Bezug auf Produktions- und Logistiksysteme individuelle Eigenschaften darstellen, Strukturvarianz ermöglichen und ein System zum Wandel befähigen. Für eine weiterführende begriffliche Erläuterung dieser Wandlungsbefähiger wird auf die einschlägige Literatur verwiesen [12]. Vor dem Hintergrund der Anpassung von Systemstrukturen können Wandlungsbefähiger identifiziert werden, die einen planerischen Bezug zu den in Tabelle 1 aufgeführten Arten der Strukturvarianz aufweisen. Diese sogenannten strukturbezogenen Wandlungsbefähiger sind in Tabelle 2 dargestellt.

Die Bewertung von Produktions- und Logistiksystemvarianten erfolgt typischerweise anhand von bereits vorhandenen kosten- und leistungsbezogenen Kennzahlen, die zwar im Kontext von Strukturvarianten berücksichtigt werden sollten [3], jedoch allein nicht ausreichen, um diese in Bezug auf ihre Wandlungsfähigkeit zu bewerten; in Tabelle 2 werden weitere mögliche Bewertungskriterien aufgelistet, um die Bandbreite der Bewertung aufzuzeigen. Durch die unternehmens- und planungskontextspezifische Nutzung der Kriterien soll die Beurteilung der strukturbezogenen Wandlungsfähigkeit ermöglicht werden. Dafür können die vorgeschlagenen Bewertungskriterien als Orientierung dienen und bei Bedarf unternehmensspezifisch konkretisiert, priorisiert und ggf. erweitert werden. Durch diese unternehmensspezifische Anpassung können Anwender eine für sie passende Gewichtung der strukturbezogenen Wandlungsbefähiger und ihren zugehörigen Bewertungskriterien vornehmen, um einen belastbaren Strukturvariantenvergleich durchführen zu können. Bemessen am Grad der Unterstützung der Strukturvarianz sind Mobilität, Modularität, Redundanz, Skalierbarkeit und Universalität die primären strukturbezogenen Wandlungsbefähiger. Die Interoperabilität, Selbstähnlichkeit und Selbstorganisationsfähigkeit weisen für die Strukturvarianz eine geringere Relevanz auf; sie sollten aber trotzdem bei der ganzheitlichen Betrachtung wandlungsfähiger Systeme Berücksichtigung finden. Das nachfolgende Beispiel verdeutlicht eine vereinfachte Variantenbewertung anhand der Mobilität:

Mobilität umfasst u. a. die zeitliche und räumliche Unabhängigkeit der Strukturelemente. Flächen- und Wegerestriktionen (z. B. rechtlich oder räumlich begründet) schränken die Mobilität der Strukturelemente ein. Zur Bewertung der Flächen- und Wegerestriktionen kann der Anteil an beschränkten Flächen in Bezug zur Gesamtsystemfläche ermittelt bzw. geschätzt werden. Durch eine Anpassung des Systemelementaufbaus hinsichtlich der Verfahrbarkeit (z. B. Rollen am Maschinenrahmen) kann die räumliche Unabhängigkeit erhöht und somit eine Veränderung der Verbindungsstruktur tendenziell gefördert werden. Die räumliche Unabhängigkeit kann anhand des Verhältnisses an verfahrbaren Elementen und allen layoutrelevanten Elementen (z. B. Maschinen) bewertet werden. Alternativ können die Maschinen- und Anlagengrundrisse in Bezug zur Systemgesamtfläche gesetzt werden – hieraus ergeben sich quantifizierbare Vergleichskriterien. Je nach Gewichtung der Kriterien innerhalb der Wandlungsbefähiger werden Strukturvarianten in Bezug auf ihre Mobilität unterschiedlich stark präferiert.

Der Vergleich kann je nach Planungsfall um weitere strukturbezogene Wandlungsbefähiger erweitert werden, er sollte jedoch mindestens die primären Befähiger umfassen, um eine Bandbreite an Strukturvarianzarten zu unterstützen und Interdependenzen zwischen den strukturbezogenen Wandlungsbefähigern zu berücksichtigen. Analoge Bewertungen von Strukturvarianten sind in geringerem Umfang auch hinsichtlich der Interoperabilität, der Selbstähnlichkeit sowie der Selbstorganisationsfähigkeit möglich und können anhand der gegebenen Kriterien vorgenommen werden; sie werden jedoch an dieser Stelle nicht näher erläutert.

Tabelle 2

Strukturbezogene Wandlungsbefähiger einschließlich Bewertungskriterien

Kategorisierung wandlungsfähiger Strukturen in Produktions- und Logistiksystemen

Um wandlungsfähige Produktions- und Logistiksysteme hinsichtlich ihrer Struktur einzuordnen, kann ein morphologischer Kasten eingesetzt werden. Der in Bild 1 vorgeschlagene morphologische Kasten ist eine mehrdimensionale Matrix mit sieben Kategorien, die verschiedene Ausprägungen besitzen. Die beiden ersten Kategorien dienen der Beschreibung der Systemstruktur und die fünf weiteren Kategorien lassen sich aus den Eigenschaften der primären strukturbezogenen Wandlungsbefähiger ableiten. Die ausgewählten Ausprägungen orientieren sich größtenteils an der Literatur (bspw. [12, 13, 14]). Ausnahme bilden die Ausprägungen der modularen Strukturen und der Erweiterbarkeit, die nur grobe Vorschläge sind und unternehmensspezifisch noch angepasst oder detailliert werden müssen. Auf diese Weise können unternehmensspezifisch konkrete Abstufungen für die Modulanzahl oder Abstufungen für eine flächenorientierte Bewertung festgelegt werden.

Bild 1

Morphologischer Kasten zur Kategorisierung von Eigenschaften wandlungsfähiger Produktions- und Logistikstrukturen

Bei der Anordnung von einzelnen Elementen zu funktionalen Einheiten kann zwischen Reihen- und Parallelsystemen sowie komplexen Systemen, die mehrere ein- oder ausgehende Güterströme besitzen, unterschieden werden [13]. Zu den komplexen Systemen gehören die Rückführung, der Umlauf und die Umgehung (Bypass), die typischerweise in Materialflusssystemen vorkommen [13]. Diese Betrachtung der funktionalen Einheiten – unter Berücksichtigung geeigneter Elementschnittstellen – können bei einer Modularisierung oder der Bestimmung der Selbstähnlichkeit helfen. Die einzelnen Systemelemente sind stetig (z. B. über Förderbänder) oder unstetig (z. B. über Gabelstapler) miteinander verbunden. Zudem wird die Verbindungstruktur durch eine räumliche und zeitliche Unabhängigkeit einzelner Elemente beeinflusst. Dabei wird die räumliche Unabhängigkeit durch eine örtlich uneingeschränkte Verfahrbarkeit der Elemente ermöglicht und die zeitliche Unabhängigkeit bezieht sich auf den Zugriff auf die einzelnen Elemente bzw. deren Funktionalität. Die universelle Einsetzbarkeit von einzelnen Elementen differenziert Elemente mit einer oder mehreren Funktionen. So haben Elemente mit mehr als einer Funktion einen geringeren Einfluss auf die Systemstruktur, da sie aufwandsarm angepasst werden können. Darüber hinaus können universell einsetzbare Elemente redundante Strukturen ermöglichen und dadurch die Gewährleistung der Funktionserfüllung von Systemelementen auch während der Anpassung des Systems aufrechterhalten. Im Hinblick auf die Redundanz kann deshalb das Systemverhalten bei einem potenziellen Ausfall oder einer zukünftigen Strukturveränderung als Differenzierungsmerkmal dienen. Das System kann dabei über aktive und passive Redundanzen verfügen [14]. Bei der passiven Redundanz werden funktionslose Elemente bei einem Ausfall aktiviert und bei der aktiven Redundanz ist der Betrieb durch vorhandene zusätzliche Elemente unterbrechungsfrei [14]. Der Nutzen redundanter Strukturen muss jedoch den Kosten des redundanten Systembetriebs gegenübergestellt werden.

Zusammenfassung und Ausblick

Die vorgeschlagene Kategorisierung erlaubt eine erste Einordnung von Systemen im Hinblick auf ihre Strukturvarianz und liefert dadurch einen Beitrag zur Planung wandlungsfähiger Produktions- und Logistiksysteme. Um in der Planung verschiedene Strukturvarianten zu vergleichen, können mithilfe der definierten Strukturvarianzarten aus einer bestehenden Systemstruktur Strukturvarianten abgeleitet und durch die vorgestellten Kriterien bewertet werden. Die Bewertung von Strukturvarianten kann durch die ereignisdiskrete Simulation unterstützt werden. Die vorgestellten Ergebnisse stellen daher auch die Basis für die automatisierte Generierung von Strukturvarianten zu einem vorliegenden Simulationsmodell eines Produktions- oder Logistiksystems dar, um Modellstrukturen experimentell zu vergleichen und die strukturelle Wandlungsfähigkeit zu bewerten (vgl. auch [15]).