Optimization of Production Layout in Multi-Floor Industrial Buildings

In einem Umfeld, in dem der Baugrund eine begrenzte Ressource ist und wirtschaftliche Schwankungen häufiger werden, wandeln sich flexible Produktionsketten für eine Vielzahl an Branchen von einem gewerblichen Vorteil zu einer unmittelbaren Notwendigkeit. Ein wichtiger Schritt in die Richtung hoher Anpassungsfähigkeit in Produktionsabläufen ist der vermehrte Einsatz flexibler Produktionsstätten. Diese Gebäude versprechen die Resilienz gegenüber sich ändernden Anforderungen zu maximieren und, oft sich widersprechende, geläufige Leistungsindikatoren wie Materialflusskosten und die benötigte Baufläche kontinuierlich zu optimieren. In den letzten Jahrzehnten hat sich die wissenschaftliche Gemeinde zunehmend sogenannten Facility Layout Problems (FLP) in einem mehrstöckigen Kontext (MFFLP) zugewandt. So vielversprechend digital optimierte mehrstöckige Produktionsstätten wirken mögen, so sehr bergen sie auch völlig neue Herausforderungen. Diese Arbeit präsentiert einen neuartigen, auf Ports basierenden, zweiphasigen evolutionären Algorithmus für das MFFLP mit Aufzügen (MFFLPE), der mit fünf individuellen Zielfunktionen, dynamisch platzierten Lifts und größenfixierten Abteilen arbeitet. Der in der C# Programmiersprache verfasste Algorithmus arbeitet in einem diskreten Suchraum bestehend aus möglichen Positionen und Verbindungen von Produktionsabteilen. Die Prozedur wird sowohl quantitativ als auch qualitativ evaluiert. Zunächst wird sie mittels der Analyse der umfangreichen Daten untersucht, die während Simulationsexperimenten mit zwei individuellen Eingabesets aufgezeichnet wurden. Dies inkludiert auch den Vergleich zwischen zwei gängigen Fitnessevaluierungsstrategien: Evaluierung basierend auf Pareto-Dominanz und Evaluierung basierend auf der (ungewichteten) Skalarisierung von Zielen. Zweitens hilft uns ein ergänzender Fragebogen, beantwortet von einem Experten im Bauingenieurwesen, die Stärken, Schwächen und grundsätzliche Performanz des Algorithmus weiter zu untersuchen. Unsere Ergebnisse suggerieren, dass ein auf Ports basierender Ansatz geeignet dafür ist kohärente mehrstöckige Produktionslayouts zu generieren, unabhängig von der verwendeten Evaluierungsmethode. Obwohl wir Unterschiede zwischen den zwei Strategien bezüglich der Zielerfüllung feststellen konnten, so stellten wir auch Probleme mit dem verwendeten Normalisierungsmechanismus für die skalarisierungsbasierte Implementierung fest. Dementsprechend geht aus unseren Daten keine Evaluierungsmethode für das anstehende Problem als besser geeignet hervor. Dadurch, dass beide Optimierungsansätze ihre eigenen Vorteile mit sich bringen, schlussfolgern wir, dass ein hybrider Ansatz für MFFLPEs als am vielversprechendsten scheint, vorausgesetzt es gibt eine intakte Normalisierung von Zielen. Obwohl die Ergebnisse suggerieren, dass die skalarisierungsbasierte Implementierung schneller für kleinere Probleminstanzen ist, benötigen beide Evaluierungsstrategien grundsätzlich vergleichbare Laufzeiten. Das von dem Experten bereitgestellte Feedback offenbarte gewisse Ziele, die noch von zukünftigen Arbeiten untersucht werden müssen. Schließlich müssen zukünftige Werke eine größere Varietät von unterschiedlichen Eingabesets untersuchen, um fundierte Aussagen über die Robustheit von gleichartigen MFFLPE Optimierungsprozeduren machen zu können.