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Open Access 2023 | Open Access | Buch

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Methoden des bestärkenden Lernens für die Produktionsablaufplanung

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Über dieses Buch

In diesem Open-Access-Buch wird eine Methode zur Adaption, Integration und Anwendung von bestärkenden Lernverfahren (Reinforcement Learning) für die Produktionsablaufplanung beschrieben. Die Methode wird anhand von typischen Problemstellungen der Produktionsablaufplanung hergeleitet und evaluiert. Die Produktionsablaufplanung ist eine Kernaufgabe der Produktion und Logistik, bei welcher Aufträge auf Ressourcen so verteilt und in Reihenfolge gebracht werden müssen, dass geforderte Nebenbedingungen der Planung erfüllt werden. Entsprechende Optimierungsprobleme sind meist NP-schwer, wodurch eine optimale Lösung gewöhnlich nicht unter wirtschaftlichen Bedingungen erzielbar ist. In der Industrie werden stattdessen Prioritätsregeln, Heuristiken oder Metaheuristiken verwendet, die entweder zeiteffizient zu Lasten der Lösungsgüte rechnen oder qualitativ hochwertige Lösungen unter hohem Rechenaufwand erzeugen. Das bestärkende Lernen ist eine Unterart des maschinellen Lernens und eine weitere Klasse potenzieller Lösungsstrategien. Probleme der Produktionsablaufplanung sind insoweit vergleichbar, als dass sie sich ebenfalls als stufenartige Entscheidungsketten modellieren lassen. Trotz ihrer Vorteile existiert bisher kaum allgemeines Wissen hinsichtlich der Anwendung des bestärkenden Lernens für die Produktionsablaufplanung.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Open Access

Kapitel 1. Einleitung
Zusammenfassung
In den vergangenen Jahren hat die Forschung einige bedeutende Durchbrüche im Gebiet der künstlichen Intelligenz erzielt, allen voran in den Bereichen des Bildverstehens und der Sprachverarbeitung. Die beiden angeführten Beispiele haben gemeinsam, dass sie Modelle und Algorithmen des maschinellen Lernens verwenden, um aus großen Datenmengen Wissen zu formalisieren. In der Tat lassen sich die meisten Fortschritte der letzten Jahre auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz auf Errungenschaften in der Beforschung von Methoden des maschinellen Lernens zurückführen.
Sebastian Lang

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Kapitel 2. Grundlagen der Produktionsablaufplanung
Zusammenfassung
Zielstellung des folgenden Kapitels ist die theoretische Fundierung der Produktionsablaufplanung. Zunächst erfolgt in Abschnitt 2.1 eine Begriffsdefinition sowie eine thematische Einordnung in die Produktionsplanung und -steuerung (PPS). Anschließend wird in Abschnitt 2.2 der Prozess der Produktionsablaufplanung im Kontext des etablierten Aachener PPS-Modells skizziert.
Sebastian Lang

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Kapitel 3. Grundlagen des Bestärkenden Lernens
Zusammenfassung
Im folgenden Kapitel soll das Themengebiet des bestärkenden Lernens theoretisch fundiert werden. Das bestärkende Lernen ordnet sich dem maschinellen Lernen unter, welches wiederum der Methodenwelt der künstlichen Intelligenz angehört. In Abschnitt 3.1 wird deshalb zunächst das bestärkende Lernen in die Themengebiete der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens eingeordnet. Abschnitt 3.2 skizziert das Grundprinzip des bestärkenden Lernens und führt ferner eine Taxonomie ein, gemäß welcher die Methoden des bestärkenden Lernens in dieser Arbeit klassifiziert werden. Die beiden Hauptkategorien dieser Taxonomie bilden das gradientenabhängige und das gradientenfreie bestärkende Lernen, die wiederum in den Abschnitten 3.3 und 3.4 separat erläutert werden.
Sebastian Lang

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Kapitel 4. Stand der Wissenschaft und Technik: Bestärkendes Lernen in der Produktionsablaufplanung
Zusammenfassung
Der Einsatz von bestärkenden Lernen für die Produktionsablaufplanung findet in der Wissenschaft noch vergleichsweise geringe Beachtung. Ungeachtet dessen erschienen in den vergangenen Jahrzehnten einige themenbezogene Veröffentlichungen, die im Folgenden diskutiert werden sollen. Anhand einer Literaturanalyse soll aufgezeigt werden, auf welche Art und Weise durch bestärkendes Lernen trainierte Agenten für die Produktionsablaufplanung eingesetzt werden können.
Sebastian Lang

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Kapitel 5. Eine Methode zum Einsatz von bestärkenden Lernverfahren für die Produktionsablaufplanung
Zusammenfassung
Wie in der Schlussbetrachtung zum Stand der Wissenschaft und Technik beschrieben, existiert bisher noch keine systematische Vorgehensweise, wie bestärkende Lernverfahren für die Produktionsablaufplanung einsetzbar gemacht werden können. Basierend auf der theoretischen Fundierung in den Kapiteln 2 und 3 soll im Folgenden eine Methode herausgearbeitet werden, die das Vorgehen zum Einsatz von bestärkenden Lernverfahren für die Produktionsablaufplanung formalisiert. In Abschnitt 5.1 soll zunächst der aktuelle Prozess der Produktionsablaufplanung als Ausgangspunkt reflektiert werden, an welchen die zu entwickelnde Methode anknüpfen möchte.
Sebastian Lang

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Kapitel 6. Evaluation der entwickelten Methode
Zusammenfassung
Die in Kapitel 5 vorgestellte Methode wurde mit der Zielstellung entworfen, Produktions- und Logistikplaner*innen sowie Wirtschaftsinformatiker*innen bei der Entwicklung und Integration von RL-trainierten agentenbasierten Produktionsablaufsteuerungen zu unterstützen. Die resultierenden Entscheidungssysteme sollen insbesondere eine kurzfristige operative Produktionsablaufplanung begünstigen, unter Berücksichtigung eines dynamischen stochastischen Auftragshorizonts sowie enger Zeitfenster für die Entscheidungsfindung. Im Folgenden soll anhand von drei Fallstudien nachgewiesen werden, dass durch die konsequente Anwendung der Methode Produktionsablaufsteuerungen entwickelt werden können, welche die beschriebenen Eigenschaften erfüllen. Zudem sollen anhand von jeder Fallstudie unterschiedliche Konzepte, die im Rahmen der Methode entwickelt wurden, evaluiert werden.
Sebastian Lang

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Kapitel 7. Schlussbetrachtung
Zusammenfassung
Abschließend soll ein Resümee der vorliegenden Forschungsarbeit gezogen werden. Hierbei ist Abschnitt 7.1 der inhaltlichen Zusammenfassung der Arbeit sowie der Beantwortung der in Abschnitt 1.​2 formulierten Forschungsfragen gewidmet. In Abschnitt 7.2 wird ein Ausblick auf weitere Forschungsbedarfe und zukünftige Forschungsarbeiten gegeben.
Sebastian Lang
Backmatter
Metadaten
Titel
Methoden des bestärkenden Lernens für die Produktionsablaufplanung
verfasst von
Sebastian Lang
Copyright-Jahr
2023
Electronic ISBN
978-3-658-41751-2
Print ISBN
978-3-658-41750-5
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-41751-2

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