Design of a hyper-heuristics based control framework for modular production systems
Design eines auf Hyperheuristiken basierenden Steuerungsframeworks für modulare Produktionssysteme
- Volatile supply and sales markets, coupled with increasing product individualization and complex production processes, present significant challenges for manufacturing companies. These must navigate and adapt to ever-shifting external and internal factors while ensuring robustness against process variabilities and unforeseen events. This has a pronounced impact on production control, which serves as the operational intersection between production planning and the shop- floor resources, and necessitates the capability to manage intricate process interdependencies effectively. Considering the increasing dynamics and product diversification, alongside the need to maintain constant production performances, the implementation of innovative control strategies becomes crucial. In recent years, the integration of Industry 4.0 technologies and machine learning methods has gained prominence in addressing emerging challenges in production applications. Within this context, this cumulative thesis analyzes deep learning based production systemsVolatile supply and sales markets, coupled with increasing product individualization and complex production processes, present significant challenges for manufacturing companies. These must navigate and adapt to ever-shifting external and internal factors while ensuring robustness against process variabilities and unforeseen events. This has a pronounced impact on production control, which serves as the operational intersection between production planning and the shop- floor resources, and necessitates the capability to manage intricate process interdependencies effectively. Considering the increasing dynamics and product diversification, alongside the need to maintain constant production performances, the implementation of innovative control strategies becomes crucial. In recent years, the integration of Industry 4.0 technologies and machine learning methods has gained prominence in addressing emerging challenges in production applications. Within this context, this cumulative thesis analyzes deep learning based production systems based on five publications. Particular attention is paid to the applications of deep reinforcement learning, aiming to explore its potential in dynamic control contexts. Analysis reveal that deep reinforcement learning excels in various applications, especially in dynamic production control tasks. Its efficacy can be attributed to its interactive learning and real-time operational model. However, despite its evident utility, there are notable structural, organizational, and algorithmic gaps in the prevailing research. A predominant portion of deep reinforcement learning based approaches is limited to specific job shop scenarios and often overlooks the potential synergies in combined resources. Furthermore, it highlights the rare implementation of multi-agent systems and semi-heterarchical systems in practical settings. A notable gap remains in the integration of deep reinforcement learning into a hyper-heuristic. To bridge these research gaps, this thesis introduces a deep reinforcement learning based hyper- heuristic for the control of modular production systems, developed in accordance with the design science research methodology. Implemented within a semi-heterarchical multi-agent framework, this approach achieves a threefold reduction in control and optimisation complexity while ensuring high scalability, adaptability, and robustness of the system. In comparative benchmarks, this control methodology outperforms rule-based heuristics, reducing throughput times and tardiness, and effectively incorporates customer and order-centric metrics. The control artifact facilitates a rapid scenario generation, motivating for further research efforts and bridging the gap to real-world applications. The overarching goal is to foster a synergy between theoretical insights and practical solutions, thereby enriching scientific discourse and addressing current industrial challenges.…
- Volatile Beschaffungs- und Absatzmärkte sowie eine zunehmende Produktindividualisierung konfrontieren Fertigungsunternehmen mit beträchtlichen Herausforderungen. Diese erfordern eine Anpassung der Produktion an sich ständig wechselnde externe Einflüsse und eine hohe Prozessrobustheit gegenüber unvorhersehbaren Schwankungen. Ein Schlüsselelement in diesem Kontext ist die Produktionssteuerung, die als operative Schnittstelle zwischen der Produktions- planung und den Fertigungsressourcen fungiert und eine effiziente Handhabung zahlreicher Prozessinterdependenzen sicherstellen muss. Angesichts dieser gesteigerten Produktionsdynamik und Produktvielfalt rücken innovative Steuerungsansätze in den Vordergrund. In jüngerer Zeit wurden daher verstärkt Industrie-4.0-Ansätze und Methoden des maschinellen Lernens betrachtet. Im Kontext der aktuellen Forschung analysiert die vorliegende kumulative Arbeit Deep-Learning basierte Produktionssysteme anhand von fünf Publikationen. Hierbei wird ein besonderes Augenmerk auf die Anwendungen des DeepVolatile Beschaffungs- und Absatzmärkte sowie eine zunehmende Produktindividualisierung konfrontieren Fertigungsunternehmen mit beträchtlichen Herausforderungen. Diese erfordern eine Anpassung der Produktion an sich ständig wechselnde externe Einflüsse und eine hohe Prozessrobustheit gegenüber unvorhersehbaren Schwankungen. Ein Schlüsselelement in diesem Kontext ist die Produktionssteuerung, die als operative Schnittstelle zwischen der Produktions- planung und den Fertigungsressourcen fungiert und eine effiziente Handhabung zahlreicher Prozessinterdependenzen sicherstellen muss. Angesichts dieser gesteigerten Produktionsdynamik und Produktvielfalt rücken innovative Steuerungsansätze in den Vordergrund. In jüngerer Zeit wurden daher verstärkt Industrie-4.0-Ansätze und Methoden des maschinellen Lernens betrachtet. Im Kontext der aktuellen Forschung analysiert die vorliegende kumulative Arbeit Deep-Learning basierte Produktionssysteme anhand von fünf Publikationen. Hierbei wird ein besonderes Augenmerk auf die Anwendungen des Deep Reinforcement Learning gelegt, um dessen Potenzial zu ergründen. Die Untersuchungen zeigen, dass das Deep Reinforcement Learning in vielen Produktionsanwendungen sowohl herkömmlichen Ansätzen als auch an- deren Deep-Learning Werkzeugen überlegen ist. Diese Überlegenheit ergibt sich vor allem aus dem interaktiven Lernprinzip und der direkten Interaktion mit der Umwelt, was es für die dynamische Produktionssteuerung besonders geeignet macht. Dennoch werden strukturelle, organisatorische und algorithmische Forschungslücken identifiziert. Die überwiegende Mehrheit der untersuchten Ansätze fokussiert sich auf Werkstattfertigungen und vernachlässigt dabei potenzielle Prozesssynergien modularer Produktionssysteme. Ferner zeigt sich, dass Multi- Agenten- und Mehr-Ebenen-Systeme sowie die Kombination verschiedener algorithmischer Ansätze nur selten zur Anwendung kommen. Um diese Forschungslücken zu adressieren, wird eine auf Deep Reinforcement Learning basierende Hyper-Heuristik für die Steuerung modularer Produktionssysteme vorgestellt, die nach der Design Science Research Methodology entwickelt wird. Ein semi-heterarchisches Multi-Agenten-System ermöglicht eine dreifache Reduktion der Steuerungs- und Optimierungs- komplexität und gewährleistet gleichzeitig eine hohe Systemadaptabilität und -robustheit. In Benchmarks übertrifft das Steuerungskonzept regelbasierte Ansätze, minimiert Durchlaufzeiten und Verspätungen und berücksichtigt kunden- sowie auftragsorientierte Kennzahlen. Die ent- wickelte Steuerungsmethodik ermöglicht einen schnellen Szenarienentwurf, um dadurch weitere Forschungsbemühungen zu stimulieren und die bestehende Transferlücke zur Realität weiter zu überbrücken. Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, eine Synergie zwischen theoretischen Erkenntnissen und Praxis-relevanten Lösungen zu schaffen, um sowohl den wissenschaftlichen Diskurs zu bereichern als auch Antworten auf aktuelle industrielle Herausforderungen zu bieten.…
Author details: | Marcel PanzerORCiDGND |
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URN: | urn:nbn:de:kobv:517-opus4-633006 |
DOI: | https://doi.org/10.25932/publishup-63300 |
Reviewer(s): | Peter NyhuisORCiDGND, Marcus GrumORCiDGND |
Supervisor(s): | Norbert Gronau, Hanna Krasnova |
Publication type: | Doctoral Thesis |
Language: | English |
Publication year: | 2024 |
Publishing institution: | Universität Potsdam |
Granting institution: | Universität Potsdam |
Date of final exam: | 2024/04/12 |
Release date: | 2024/04/23 |
Tag: | Deep Learning; Produktionssteuerung; Reinforcement Learning; Simulation; modulare Produktion deep learning; modular production; production control; reinforcement learning; simulation |
Number of pages: | vi, 334 |
RVK - Regensburg classification: | QP 505, QP 542, ST 610, QH 740 |
Organizational units: | Wirtschafts- und Sozialwissenschaftliche Fakultät / Wirtschaftswissenschaften |
DDC classification: | 3 Sozialwissenschaften / 33 Wirtschaft / 330 Wirtschaft |
MSC classification: | 68-XX COMPUTER SCIENCE (For papers involving machine computations and programs in a specific mathematical area, see Section {04 in that areag 68-00 General reference works (handbooks, dictionaries, bibliographies, etc.) |
License (German): | CC-BY-NC-SA - Namensnennung, nicht kommerziell, Weitergabe zu gleichen Bedingungen 4.0 International |