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20.10.1989 - 

Zur Planungsunterstützung keine "intelligente" Software nötig

KI-Einsatz in PPS-Systemen kann nur begrenzt sinnvoll sein

Zahlreiche Anwender von Produktionsplanungs- und -steuerungssysteme (PPS) experimentieren derzeit mit "Künstlicher Intelligenz" (KI): Wilhelm Dangelmaier*, Hermann Kühnle* und Ute Mußbach-Winter* haben untersucht, inwieweit Expertensysteme den Produktionsplaner in seiner Arbeit unterstützen können.

Ein PPS-System läßt sich in die vier Basisfunktionen untergliedern: Stammdatenverwaltung, Bedarfsrechnung, Belegung und Rückmeldung. Die Stammdaten stellen - entsprechend der Definition einer Aufgabe durch Objekt, Stelle und Verrichtung - mit Betriebsmittel-, Stücklisten und Arbeitsplaninformationen ein Modell der jeweils betrachteten Produktion dar, das in den anschließenden Verfahrensschritten als Ausgangsbasis für die Erstellung von Produktionsplänen verwendet wird.

Rückmeldung zeigt den Grad der Planerfüllung

Die Bedarfsrechnung (Materialwirtschaft, Mengenplanung) ermittelt zum einen - ausgehend vom Primärbedürfnis - den Bruttobedarf entsprechend den jeweils vorgegebenen Verwendungszusammenhängen. Zum anderen wird der Nettobedarf registriert und nach vorgegebenen Regeln zu Aufträgen zusammengefaßt.

Diese werden in einer Belegung (Auftragsfreigabe und/ oder Kapazitätsplanung/-terminierung) mit heuristischen Verfahren (Prioritätsregelverfahren) den einzelnen Betriebsmitteln mengen- und terminmäßig so zugeordnet, daß ein durchführbarer Plan entsteht.

Die Rückmeldung eines modernen PPS-Systems dient neben dem jeweils realisierten Mahnverfahren lediglich dazu, die Planerfüllung oder -nichterfüllung aufzuzeigen und deren Auswirkungen auf den Primärbedarf zu projizieren.

In allen Entscheidungssituationen wenden diese Systeme nur eine einzige Strategie an, so daß jeder "Optimalitätsanspruch" von vornherein aufgegeben wird. Häufig wird gar nicht offenkundig, daß eigentlich eine Entscheidungssituation vorliegt. Rechtfertigen läßt sich dies nur dadurch, daß ein Experte in derselben Zeit auch keine Lösung mit der erforderlichen Vollständigkeit, Detailliertheit und Aktualität erarbeiten könnte.

Vorausgesetzt, daß mit einer adäquaten Betriebsdatenerfassung (BDE) jede beliebige planungsrelevante Information über den zu planenden/steuernden Prozeß ohne Terminverzug zu beschaffen ist, so könnte ein PPS-System unter folgenden Voraussetzungen als "optimal" bezeichnet werden:

- Der Planungshorizont wird (begrenzt durch die vollständige Menge aller verfügbaren

Informationen) auftragsweise gefüllt; nach jeder Einplanung eines Auftrages muß der Zustand für die weitere Vorgehensweise berücksichtigt werden.

- In jeder Entscheidungssituation werden alle möglichen Strategien und Alternativen durchgerechnet und die beste Lösung mit einer mehrdimensionalen Bewertungs-/Zielfunktion bestimmt.

- Nach Abschluß eines jeden Auftrages beziehungsweise nach jeder Rückmeldung und bei jeder Änderung der Stammdaten muß eine vollständige Aktualisierung gegebenenfalls des gesamten Planungshorizonts durchgeführt werden.

Ein solches System existiert derzeit noch nicht. Es stellt bei praktisch beliebig großer, aber letztlich doch begrenzter Rechnerleistung und -verfügbarkeit immer eine theoretische Grenze dar. Durch den nicht bis ins letzte deterministischen Produktionsprozeß müssen nämlich eine Vielzahl von Änderungen bewertet und aufgrund des Optimalitätsanspruchs auch verarbeitet werden.

Die Ergebnisse hinken den Realitäten hinterher

Zur Aktualisierung der Stammdaten und Durchführung der Planungsoperationen müßte also unbegrenzt Zeit zur Verfügung stehen. Außerdem sollte der Produktionsprozeß unterbrochen werden, um die Aktualität der Stammdaten bis zur Beendigung des Planungslaufs zu erhalten. Andernfalls hinken die Planungsergebnisse von vornherein den Realitäten hinterher.

In letzter Konsequenz bedeutet das: jede Produktionstätigkeit würde durch den Planungsalgorithmus sofort im Keim erstickt. Das erste gemeldete Ereignis wäre zugleich das letzte, da das PPS-System auch dann, wenn eine Änderungsrechnung durchgeführt wird, zur Optimierung und damit zur Bestimmung des nächsten Auftrages unendlich lange rechnet. Inzwischen müßte jedoch der Produktionsprozeß zur Aufrechterhaltung des Optimalitätsanspruchs unterbrochen werden.

PPS-Systeme umgehen diese Problemstellung, indem sie neben der genannten Fixierung auf einen einzigen Regelsatz neue Produktionspläne nicht dann erarbeiten, wenn dies irgendwelche Veränderungen erforderlich machen würde (Planungsnotwendigkeit), sondern zu einem Zeitpunkt, an dem die Produktion über einen längeren Zeitraum ruht, also nachts oder am Wochenende. Dazwischen wird nicht mit einer neuen Planung auf Veränderungen eingegangen, sondern mit Mahnungen versucht, den Produktionsprozeß der Planung anzupassen (Primat der Organisation über den Prozeß).

Die systemtechnischen, nicht produktionstechnischen, Vorteile dieser Vorgehensweise sind evident: Der Ist-Zustand kann ohne Aktualitätsverlust zu einem späteren Zeitpunkt ermittelt werden - durch Einsammeln von Belegen -, und die Planungsergebnisse selbst sind trotz erheblicher Rechenzeiten zum Zeitpunkt ihrer Übermittlung an die Produktion aktuell, da keine Veränderung im Produktionsprozeß eintritt.

Bestehen, wie zum Beispiel in CIM-Konzepten, höhere und vor allem konstante, nicht von Planungszeitpunkt zu Planungszeitpunkt abnehmende Aktualitätsanforderungen, so muß auch und vor allem während der produktiv genutzten Zeit gerechnet werden. Um ständig aktuelle und qualitativ bessere Ergebnisse ohne Produktionsunterbrechungen zu erreichen, sind andere Systemkonzepte erforderlich. Ein solches PPS-System müßte viergeteilt arbeiten und folgenden Ablauf einhalten:

1. Rück-/Störmeldung werden bewertet, um festzustellen, ob eine (Änderungs-)Rechnung erforderlich ist, oder ob die Abweichungen innerhalb eines tolerierbaren Bereiches liegen.

2. Abhängig von der Bewertung des aktuellen Prozeßzustandes muß die Bereitstellung der zur Fortsetzung des Arbeitsprozesses erforderlichen Planungsdaten erfolgen.

3. Der Zeitpunkt des nächsten Ereignisses, zu dem eine Information an den Produktionsprozeß abgesetzt werden muß (Beginn eines weiteren Auftrages), wird zwischengespeichert.

4. Der vollständige Planungshorizont wird unter Berücksichtigung des Sachverhalts aktualisiert und gegebenenfalls optimiert.

Setzt man eine hierarchisch aufgebaute Produktionsplanung und -steuerung voraus, so wird unter Umständen auf einer bestimmten hierarchischen Steuerungsebene keine Lösung mehr gefunden. Die Änderung hat Auswirkungen über die betrachtete Zelle hinaus auf die gesamte Teilefertigung. Dies bedingt, eine gesamtheitliche Lösung auf dieser übergeordneten Programmebene zu suchen. Dazu ist wieder Rechenzeit erforderlich.

Aktualisierung nicht nur in festen Zyklen

Selbstverständlich muß auch hier dasselbe Prinzip gelten: Die übergeordnete Ebene muß primär auf die Fortsetzung der Fertigung achten, Totzeiten vermeiden und vor jeder Betrachtung eines ferneren (Planungs-)Horizonts die unmittelbar notwendigen Maßnahmen treffen. Diese Vorgehensweise darf aber nicht ad absurdum geführt werden, indem die übergeordnete Systemebene ihrerseits nur in festen Zyklen eine Aktualisierung durchfuhrt und dadurch eine nicht akzeptable Totzeit verursacht.

In jedem hierarchischen Konzept muß daher - online-Anstoß auf jeder Ebene vorausgesetzt - folgender Ablauf gelten:

1. Bewertung der Rück-/Störmeldung, um festzustellen, ob eine (Änderungs-)Rechnung erforderlich ist oder ob die Abweichungen innerhalb eines tolerierbaren Bereichs liegen,

2. abhängig von der Bewertung des aktuellen Prozeßzustands sofortige Bereitstellung der zur Fortsetzung des Arbeitsprozesses erforderlichen Planungsdaten,

3. Zwischenspeichern des Zeitpunktes des nächsten Ereignisses, zu dem eine Information an den Produktionsprozeß abgesetzt werden muß (Beginn eines weiteren Auftrages),

4. Aufruf der übergeordneten Ebene, falls auf der betrachteten Ebene keine Lösung gefunden werden kann,

5. Aktualisieren des vollständigen Planungshorizonts auf der übergeordneten Ebene unter Berücksichtigung des Sachverhalts,

6. Absetzen der Vorgaben für die untergeordnete Ebene, sobald der Horizont auf der über geordneten Ebene (teilweise) gefüllt ist, und

7. Aktualisieren des vollständigen Planungshorizonts auf der untergeordneten Ebene unter

Berücksichtigung des Sachverhalts.

Immer wieder gibt es Ansätze, PPS-Systeme über KI-Einsatz zu beschleunigen. Dies ist sicher nicht möglich. Ein KI-System lebt vom Abwägen zwischen Alternativen und muß daher zwangsläufig langsam sein, auch wenn nicht alle Alternativen vollständig abgearbeitet werden.

Indiz für falsche Mittel

Wenn aufgrund von Laufzeitvergleichen eine begründete Aussage vorliegt, daß ein KI-unterstütztes System schneller und aktueller ist, muß dies lediglich als ein Indiz dafür gesehen werden, daß das derzeit eingesetzte PPS-Systeme mit völlig untauglichen Mitteln realisiert wurde. Das kann der Fall sein, wenn der Großrechner oder die Zeit für eine Planungsrechnung vielleicht nur am Wochenende zur Verfügung stehen oder die Datenbank sich als ungeeignet erweist. Hier muß zuerst die konventionelle PPS-Logik auf schnellere Verfahren Rechner und/oder Datenbanken umgesetzt werden.

Der als Ergebnis der Produktionsplanung und -steuerung verlangte Produktionsplan bedingt aufgrund der vorgegebenen Ausgangsinformationen die zuvor genannten vier Bearbeitungsschritte beziehungsweise Basisbausteine. Diese kann auch ein KI-System nicht umgehen oder ersetzen.

Ein PPS-System enthält daher immer bestimmte, definiert ablaufende Verfahren ohne Kl-Anteile: Zwar ist es sinnvoll, eine Störung mit 50prozentiger Wahrscheinlichkeit auf einen abgebrochenen Bohrer zurückzuführen; es ist aber nicht möglich, mit 50prozentiger Wahrscheinlichkeit eine Maßnahme einzuleiten oder einen 50prozentigen Bedarf anzumelden.

Ein sinnvolles Anwendungsgebiet für "Intelligenz" gibt es daher nur dort, wo entweder unvollständige Informationen über den Produktionsprozeß vorliegen oder aus der Menge der theoretisch möglichen Alternativen eine zeitlich zu bewältigende Rechenzeit auszuwählen ist. Sollte im Einzelfall die verfügbare Rechenzeit ausreichen, alle möglichen Alternativen über Ansätze mit linearer Programmierung oder dynamischer Optimierung zu betrachten, so wird die "Intelligenz" ausschließlich im Falle unvollständiger Information benötigt.

Unvollständige Information über den Produktionsprozeß kann immer nur eine zum betrachteten Zeitpunkt unvollständige Information bedeuten: Eine Prozeßgröße, die niemals

gemeldet wird, läßt sich auch mit einem KI-System nicht generierten.

Es kann sich also nur darum handeln, daß eine Information oder ein Teil einer Informationsgruppe erst später verfügbar ist, weil der Produktionsprozeß zum betrachteten Zeitpunkt keine längere Unterbrechung zum Zwecke einer vollständigen Datenübertragung zuläßt. Hier meldet das KI-gestützte PPS-System nur "Werkzeugbruch", nicht "Störung, Bohrer abgebrochen, Bohrerspitze steckt im Werkstück". In diesem Fall wird die Maßnahme "anderes Werkstück mit anderen Werkzeugen" sofort eingeleitet. Die Störauswertung und Entscheidung über die Weiterbearbeitung des betrachteten Werkstücks erfolgt später (zyklisch).

Abhängigkeit von der Soll/Ist-Abweichung

Der Zustand einer Transportstrecke (belegt, blockiert, frei) wird nicht permanent aktualisiert. Die Ermittlung des aktuellen Transportkurses erfolgt aufgrund einer Abschätzung, die auf Vergangenheitsauswertungen basiert.

Sinnvoll ist es, Meldungen nur in Abhängigkeit von der jeweiligen Soll/lst-Abweichung an die übergeordnete Planungsebene weiterzugehen. Ist die zulässige Abweichung exakt definiert, kann die Entscheidung schematisch und ohne "Intelligenz" getroffen werden. "Intelligenz" ist erst dann gefragt, wenn zum Beispiel ein Terminverzug abhängig von der ständig sich verändernden Situation in der Produktion beurteilt werden soll.

Der Einsatz von KI als Unterstützung für den Menschen bei der Planung wird gelegentlich damit begründet, daß der Planer durch die Reduzierung von Routinetätigkeiten einen größeren Freiraum für kreative Tätigkeiten gewinnt. Da aber Routinefälle nicht neu und auch nicht unstrukturiert sind, bedarf es hier zwar zweifellos intelligent erstellter Programme mit entsprechend aufbereiteter Informations-/Ergebnispräsentation (Management-Informations-Systeme), aber keiner Programme mit "Intelligenz".

Unterstützung vor allem in kritischen Situationen

Wenn überhaupt, dann muß das Expertenwissen eines KI-Systems den Planer gerade in schwierigen Situationen unterstützen. Systeme, die nur in Routinefällen eine Hilfe darstellen und in kritischen Situationen schweigen, beweisen nur, daß der Rechner trotz seiner hohen Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit überfordert ist oder das Management und/oder der Systemdesigner die Unternehmensstrategie und die Zusammenhänge nicht so durchschaut haben, daß eine eindeutige Handlungsanweisung erstellt werden konnte. Vom Planer diese Lösung zu erwarten, ist unter diesen Umständen mehr als fraglich.

In der Planung ist eine Vorgehensweise anzustreben, die zunächst den Ist-Zustand bewertet und die zweckmäßigsten Strategien für die weitere Einplanung auswählt. Nach der Einplanung jedes Auftrages ist dann die jeweils vorliegende geplante Situation Basis der ereignisorientierten und situationsangepaßten Strategie-Auswahl. Der Planungsprozeß wird somit in eine Sequenz von elementaren Bewertungs- und (Strategie-)Auswahlschritten zerlegt.

Nur zwei Situationen rechtfertigen KI-Einsatz

Den Einsatz einer Datenverarbeitungsanlage als Träger der Intelligenz rechtfertigen nur zwei Situationen: Der Experte, der das Wissen repräsentiert, ist nicht immer oder nicht mehr verfügbar. Oder aber ein Anwender oder der Experte ist in bestimmten Entscheidungssituationen quantitativ, nicht aber qualitativ überfordert.

In beiden Fällen ist das Expertensystem nicht intelligenter als der Experte. Jedesmal ist aber die eindeutige Absicht des Kl-Einsatzes erkennbar, den Experten oder den Planer vom Rechner ersetzen zu lassen, keineswegs aber, ihn zu unterstützen. Der Experte wäre dann lediglich Lieferant von Planungs- und Steuerungswissen, jedoch nicht mehr von aktuellen Prozeßinformationen. KI-Unterstützung bietet sich also nur dort an, wo unter Zeitdruck Informationslücken überbrückt, nicht aber sämtliche Entscheidungsmöglichkeiten geprüft werden sollen.