Das ISIS-System Scheduling durch heuristische Suche - Hauptseminar - Intelligentes Scheduling

Hauptseminar - Intelligentes Scheduling

Scheduling durch heuristische Suche

    Das ISIS-System

       Ausgeführt von:   Alexander Pöltl
             Betreuer:   Prof. Dr. Susanne Biundo-Stephan
              Datum:     07.02.2001

Inhalt

➔Was ist Scheduling?

➔Heuristische Suche

➔Das ISIS-System

Was ist Scheduling?

Def.:

        „Scheduling is the allocation of
        resources over time to perform a
        collection of tasks.“
                              [Baker 1974, S. 2]

Wichtige Begriffe

➔Auftrag / Bestellung
➔Operation
➔Ressource
➔Prozessplan
➔process routing
➔Job

Wichtige Begriffe 2

➔Constraints
  →Hard Constraints
  →Soft Constraints
  →Elastizität

➔Ablaufplan - gültig / konsistent

Spezifikation von
 Schedulingproblemen

      5-Tupel: (A, P, R, HC, SC)

➔A = Menge von Aufträgen
➔P = Menge von herstellbaren Produkten
➔R = Menge der vorhandenen Ressourcen
➔HC = Hard Constraints
➔SC = Soft Constraints

Spezifikation von
Schedulingproblemen

Schedule       UND-Knoten
               ODER-Knoten
               Lösung
Aufträge

Varianten

Operationen

Ressourcen

Intervalle

Heuristiche Suche

griech. heuriskein = entdecken, finden

➔ 1957: Identifikation von Problemlösungsverfahren
  (insbesondere für mathematische Beweise)
➔ 1963: Prozess der möglicherweise eine Lösung findet
➔ 1970: Regeln, die Domänenexperten verwenden
➔ heute: Techniken, die die durchschnittliche Performanz
  von Problemlösungsverfahren verbessern, aber nicht
  unbedingt die worst-case Performanz

Beam-Search

➔Betrachte nur die p „besten“ Knoten!

1. Erzeuge einelementige Queue mit Wurzel
2. Wiederhole bis Q leer oder Ziel erreicht
  a) Ersetze alle Elemente in Q durch ihre Nachfolger
  b) sortiere Q nach Heuristik
  c) entferne alle Elemente aus Q bis auf die p ersten
3. Wenn Zielknoten in Q Erfolg, sonst Fehler

ISIS

➔3 Systeme: ISIS-0, ISIS-1, ISIS-2
➔ab 1980 an der Carnegie Mellon University
➔Entwickler: Mark S. Fox
➔Fallstudie: Westinghouse Corporation
 Turbine Component Plant
➔Herstellung von Dampfturbinenschaufeln

Auftrags-Kategorien

1.     Forced outages
2/3.   critical replacement and ship direct
4/5.   service and shop orders
6.     stock orders

➔ 100-200 Aufträge in Bearbeitung

Ansatz

➔Aufbau als Expertensystem
➔Interviews mit Experten
  ➔10% - 20% Scheduling
  ➔80% - 90% Kommunikation
➔Scheduling als iterativer Prozess
➔Berücksichtigung vieler Constraints

Constraints

➔Prioritäten, Alternativen und Vorlieben bei der
 Arbeitsweise
➔Maschinenalternativen und -vorlieben
➔Vorhandensein von Werkzeugen, Befestigungen
 und NC-Programmen
➔Produktionsdauer / Qualität / Kosten
➔Kapazitäten u. Pannen bei Maschinen
➔...

ISIS-0:
               Eigenschaften

➔Identifikation u. Klassifizierung von Constraints
➔Bestensuche mit Backtracking
➔dynamische Bewertungsfunktionen
➔Funktionen zur Generierung alternativer
 Operationen, Maschinen, Zeiten
➔Teilschedules als Zustände
➔Scheduling einzelner Aufträge → Priorität
➔Scheduling Vorwärts oder Rückwärts

Constraint-Kategorien

➔Organisationsziele
➔physikalische Constraints
➔kausale Constraints
➔Verfügbarkeit von Ressourcen
➔Präferenzen

ISIS-0:
            Bewertung

➔Erzeugung von Schedules durch
  ➔Generierung alternativer Prozesspläne
  ➔Ressourcen-Zuweisung

➔Wissensbasis zu klein für komplexes
 Problem

ISIS-1:
 Constraint-Directed-Scheduling

➔Erweiterung der Constraint-Repräsentation
  ➔Konflikt
  ➔Relaxierung
  ➔Bedeutung
  ➔Interaktion
  ➔Generierung von Constraints
➔Constraint als Aggregation von Informationen
➔Beam-Search

ISIS-1:
                  Architektur
                  1. Auftragsauswahl
                      Auftrag 40
                      Auftrag 13      Lieferdatum
                      Auftrag 100     Auftrags-Kategorie

2. Ressourcenanalyse
  Operation   Op1 Op2                               Operations-Reihenfolge
                                                    Operations-Präferenzen
                Op3     Op4     Op5      Op6        Scheduling-Richtung

 Maschine                                           alternative Maschinen
                                                    Maschinen-Präferenzen
  M1-a         M1-b      M2-a       M2-b            Produktattribute

 Ressourcen
                                                    Ressourcen-Verfügbarkeit
                 R1       R2
                                                    Startdatum
 Zeitgrenzen                                        Lieferdatum
                                                    Produktivität
                                                    Präferenzen in der Reihenfolge

ISIS-1
             Architektur

3. Ressourcenzuweisung
 M1-a
                         Reservierungs-Intervalle
 M1-b                       (aus der Ressourcenanalyse)
                         Shop stability
 M2-a                    Auslastung

 M2-b

ISIS-1
Bewertung

ISIS-1
             Bewertung

➔85 Aufträge über 2 Jahre zu schedulen
  ➔65 Aufträge zu spät fertig
  ➔durchschnittliche Produktionsdauer 305 Tage
  ➔Produktionsdauer insgesamt 857 Tage

➔vorletzte Maschine als „Flaschenhals“
➔optimale Queuelänge bei Beam-Search 10

ISIS-2: Hierarchical Constraint-
Directed Scheduling

➔Architektur:
  1. Auftragsauswahl
  2. Kapazitätsanalyse
  3. Ressourcenanalyse
  4. Ressourcenzuweisung

➔Kapazitätsanalyse
  ➔Beschränkung auf wenige Constraints
  ➔Identifizierung von Engpässen

ISIS-2
                Architektur
                1. Auftragsauswahl
                  Auftrag 40
                  Auftrag 13 Lieferdatum
                  Auftrag 100 Auftrags-Kategorie

2. Kapazitätsanalyse
 Operation    OpA      OpC       OpE
                                       Operations-Reihenfolge
              OpB      OpD

Maschine
                                       alternative Maschinen
 M1-a         M1-b         M2-a
                                       zeitl. Verfügbarkeit der Maschinen
 Zeitgrenzen (für Operationen)
                                       Eingangs-/Lieferdatum

ISIS-2
Bewertung

ISIS-2
            Bewertung

➔85 Aufträge über 2 Jahre
  ➔14 Aufträge zu spät (Kapazitätsproblem)
  ➔durchschnittliche Produktionsdauer 186 Tage
  ➔Produktionsdauer insgesamt 583 Tage

Fazit

➔„Beginn“ der Constraint-Forschung
➔Identifikation relevanter Constraints
➔Wissensrepräsentation
➔Entwicklung von Suchkonzepten

➔Komplexität → Laufzeit
➔rein auftragsorientierter Planungsansatz