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Moderne Technologien befähigen die beteiligten Akteure eines Produktionsprozesses die Informationsaufnahme, Entscheidungsfindung und -ausführung selbstständig auszuführen. Hierarchische Kontrollbeziehungen werden aufgelöst und die Entscheidungsfindung auf eine Vielzahl von Akteuren verteilt. Positive Folgen sind unter anderem die Nutzung lokaler Kompetenzen und ein schnelles Handeln vor Ort ohne (zeit-)aufwändige prozessübergreifende Planungsläufe durch eine zentrale Steuerungsinstanz. Die Bewertung der Dezentralität des Prozesses hilft beim Vergleich verschiedener Steuerungsstrategien und trägt so zur Beherrschung komplexerer Produktionsprozesse bei.
Obwohl die Kommunikationsstruktur der an der Entscheidungsfindung beteiligten Akteure zunehmend an Bedeutung gewinnt, existiert keine Methode, welche diese als Grundlage für die Operationalisierung der Dezentralität verwendet. Hier setzt diese Arbeit an. Es wird ein dreistufiges Bewertungsmodell entwickelt, dass die Dezentralität eines Produktionsprozesses auf Basis der Kommunikations- und Entscheidungsstruktur der am Prozess beteiligten, autonomen Akteure ermittelt.
Aufbauend auf einer Definition von Dezentralität von Produktionsprozessen werden Anforderungen an eine Kennzahl erhoben und - auf Basis der Kommunikationsstruktur - eine die strukturelle Autonomie der Akteure bestimmenden Kenngröße der sozialen Netzwerkanalyse ermittelt. Die Notwendigkeit der zusätzlichen Berücksichtigung der Entscheidungsstruktur wird basierend auf der Möglichkeit der Integration von Entscheidungsfindung und -ausführung begründet.
Die Differenzierung beider Faktoren bildet die Grundlage für die Klassifikation der Akteure; die Multiplikation beider Werte resultiert in dem die Autonomie eines Akteurs beschreibenden Kennwert tatsächliche Autonomie, welcher das Ergebnis der ersten Stufe des Modells darstellt. Homogene Akteurswerte charakterisieren eine hohe Dezentralität des Prozessschrittes, welcher Betrachtungsobjekt der zweiten Stufe ist. Durch einen Vergleich der vorhandenen mit der maximal möglichen Dezentralität der Prozessschritte wird auf der dritten Stufe der Autonomie Index ermittelt, welcher die Dezentralität des Prozesses operationalisiert.
Das erstellte Bewertungsmodell wird anhand einer Simulationsstudie im Zentrum Industrie 4.0 validiert. Dafür wird das Modell auf zwei Simulationsexperimente - einmal mit einer zentralen und einmal mit einer dezentralen Steuerung - angewendet und die Ergebnisse verglichen. Zusätzlich wird es auf einen umfangreichen Produktionsprozess aus der Praxis angewendet.
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 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.