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<article lang="de"><title>Realtime Logistics: echtzeitnahe Steuerung von Materialflusssystemen auf Basis autonomer Agenten und Entitäten</title><articleinfo><authorblurb><para role="author">Prof. Dr. Michael ten Hompel<?d-linebreak?>Dipl.-Ing. Dirk Liekenbrock</para><para role="authorinfo">Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML, Dortmund</para><para role="author">Dipl.-Ing. Peter Stuer</para><para role="authorinfo">Vanderlande Industries Logistics Software GmbH, Dortmund</para></authorblurb><abstract lang="de"><para role="abstractDE">Die Steuerung logistischer und produktionstechnischer Systeme ist heute durchgängig hierarchisch organisiert. Auch dezentrale und wandelbare Systeme mit eingebetteten fraktalen oder adaptiven Elementen oder Regelkreisen lassen sich in ihrer Gesamtheit stets auf eine zeitgenaue zentrale Planung zurückführen. „Realtime Logistics“ bezeichnet im Gegensatz hierzu die echtzeitnahe Materialflusssteuerung auf Basis einer autonomen, selbstgesteuerten Abwicklung der im einzelnen logistischen Objekt implementierten Mission. Hierzu werden mobile Softwareagenten eingesetzt, die zunächst synchron zum Objekt,  und in Zukunft eingebettet im logistischen Objekt,  laufen werden.</para></abstract><abstract lang="en"><para role="abstractEN">Nowadays, logistic and production systems are controlled consistently hierarchically. Decentralised and changeable systems with embedded fractal or adaptive elements or control cycles are the results of a precisely timed central planning. In contrast to this, “Realtime Logistics” is a realtime material flow control where the mission of the single logistic objects is carried out autonomously and self-controlled. Mobile software agents are used for this purpose which at first will operate synchronously to the object and in future will be embedded into the object.</para></abstract><authorgroup><author><firstname>Michael</firstname><surname>ten Hompel</surname></author><author><firstname>Dirk</firstname><surname>Liekenbrock</surname></author><author><firstname>Peter</firstname><surname>Stuer</surname></author></authorgroup><biblioid class="uri">urn:nbn:de:0009-12-6948</biblioid><biblioid class="doi">10.2195/LJ_Not_Ref_d_tenHompel_0320052</biblioid><keywordset><keyword>Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik</keyword><keyword>IML</keyword><keyword>ten Hompel</keyword><keyword>Michael ten Hompel</keyword><keyword>Materialflusssteuerung</keyword><keyword>Materialflusssystem</keyword><keyword>Multi-Agenten-System</keyword><keyword>dezentrales Steuerungssystem</keyword><keyword>Fördersystem</keyword><keyword>echtzeitnahe Steuerung</keyword><keyword>Realtime Logistic</keyword><keyword>EPC - Elektronischer Produkt Code</keyword><keyword>RFID</keyword><keyword>RFID-Tag</keyword><keyword>Internet der Dinge</keyword><keyword>Dirk Liekenbrock</keyword><keyword>Peter Stuer</keyword><keyword>Vanderlande Industries Logistics Software</keyword><keyword>WGTL</keyword><keyword>Wissenschaftliche Gesellschaft für Technische Logistik</keyword><keyword>elogistics journal</keyword><keyword>Universität Dortmund</keyword><keyword>Uni Dortmund</keyword><keyword>Logistik</keyword><keyword>Logistics</keyword><keyword>Materialfluss</keyword><keyword>Material flow</keyword><keyword>Universitaet Dortmund</keyword><keyword>Intralogistics</keyword><keyword>intra logistics</keyword><keyword>intra-logsitics</keyword><keyword>Intralogistik</keyword><keyword>technische Logistik</keyword><keyword>DOI 10.2195/LJ_Not_Ref_d_tenHompel_0320052</keyword><keyword>Dirk Liekenbrock</keyword><keyword>Peter Stuer</keyword><keyword>ISSN 1860-5923</keyword></keywordset><subjectset scheme=""><subject></subject></subjectset><legalnotice><title>Lizenz</title><para>Jedermann darf dieses Werk unter den Bedingungen der Digital Peer Publishing Lizenz elektronisch übermitteln und zum Download bereitstellen. Der Lizenztext ist im Internet abrufbar unter der Adresse http://www.dipp.nrw.de/lizenzen/dppl/dppl/DPPL_v2_de_06-2004.html</para></legalnotice><titleabbrev></titleabbrev><volumenum>2005</volumenum><issuenum>März</issuenum><biblioset relation="journal"><issn>ISSN:1860-5923</issn><title>Logistics Journal : nicht-referierte Veröffentlichungen</title></biblioset></articleinfo><section><title><phrase role="GEN_upcast-HEADINGNUMBER">1.	</phrase>Motivation und Stand der Technik</title><para role="text">In großen Materialflusssystemen wird aufgrund des Zusammenwirkens einer Vielzahl von Einzelelementen die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems nicht allein durch die Leistungsfähigkeit der einzelnen Elemente, sondern insbesondere durch die überlagerten Steuerungsstrategien und ‑algorithmen bestimmt. Die verwendeten Strategien werden aufgrund der Komplexität der Systeme zumeist über das Arbeitsmittel der Simulation verifiziert. Sehr häufig handelt es sich hierbei um applikationsspezifische Metaheuristiken, die ein hohes Optimierungs­potenzial vermuten lassen, das jedoch aufgrund sinkender Inbetrieb­nahme­zeiten nur selten ausgenutzt werden kann. </para><para role="text">Zur Abbildung der weiterhin steigenden Dynamik der Auftragslast ist zudem eine kontinuierliche Adaption dieser Strategien elementar. Die resultierenden applikations­spezifischen Lösungen werden im Laufe der Inbetriebnahme und während des Betriebes angepasst, jedoch nur selten in der begleitenden Simulation eingepflegt, was wiederum zur Folge hat, dass der Wert einer betriebsbegleitenden Simulation häufig eher fraglich ist. Dies betrifft explizit die Strategien zur Steuerung der echtzeitnahen (automatisierten) Materialflusstechnik. </para><para role="text">Komplexe Materialflusssysteme werden trotz der Fortschritte in der heutigen Automatisierungs- und Steuerungstechnik, von wenigen Prototypen abgesehen, mit hierarchisch organisierten, zunehmend modular aufgebauten speicherprogrammierbaren Steuerungen bedient, die über Jahre hinaus nahezu unverändert in Betrieb bleiben. Die Wandelbarkeit, Flexibilität und Adaptivität dieser Systeme ist durch deren starre Konzeption sehr begrenzt. Änderungen erfordern zumeist die Überarbeitung und Neuinstallation des oft komplexen Steuerungsprogramms, verbunden mit dem vorübergehenden Abschalten der korrespondierenden Fördertechnik.</para><para role="text">Ein ökonomischer Betrieb komplexer Materialflusssysteme bedarf aber der regelmäßigen, dynamischen (echtzeitnahen) Modifikation und Adaption der Steuerung, die aufwandsarm und im laufenden Betrieb erfolgen muss. </para><para role="text">Am Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen der Universität Dortmund wird unter dem Titel „Realtime Logistics“ zurzeit ein neuartiges, agentenbasiertes Steuerungssystem in Betrieb genommen, welches die beschriebenen system­immanenten Nachteile durch den Einsatz autonomer Soft- und Hardware­komponenten zu vermeiden sucht (vgl. Abb. 1).</para><para role="Abbildung"><mediaobject><imageobject><imagedata width="158.76mm" depth="107.96mm" fileref="dippArticle-1.png" format="PNG" srccredit="embed" /></imageobject><caption><para role="caption">Abbildung <phrase role="GEN_SEQ">1</phrase>: Blick auf die obere Ebene der Versuchsanlage</para></caption></mediaobject></para><para role="heading">Stand der Dinge auf dem Gebiet der wandelbaren, flexiblen und adaptiven Materialflusssteuerungen</para><para role="text">Heutzutage erfordern dynamische Produktionsstrukturen flexible Arbeitszeit­modelle und hohe Personalkosten, um jederzeit schnell und in hoher Qualität die Wünsche des Kunden erfüllen zu können. Deshalb bedarf es für die Verfolgung der Produktion kundenindividueller Güter in einem turbulenten Auftragsumfeld neuer automatisierter Ansätze in der innerbetrieblichen Logistik, um die Kostenschere gegenüber der Serienfertigung zu verkleinern, wandelbare Materialflusssysteme zu generieren und gleichzeitig eine hohe Verfügbarkeit durch Reduzierung der Komplexität zu gewährleisten [<link linkend="Günthner02">Günthner02</link>].</para><para role="text">Seit Mitte der 90er Jahre ist eine wachsende Tendenz zur Dezentralisierung und Standardisierung von Automatisierungskomponenten zu verzeichnen [<link linkend="Meinberg96">Meinberg96</link>]; [<link linkend="Günthner98">Günthner98</link>]. Der Einsatz baulich ähnlicher Module mit breitem Anwendungsbereich dient dem Ziel, die Komplexität der Gesamtsysteme durch den Einsatz wiederkehrender Steuerungsmodule zu reduzieren. Die Zusammenführung von Motoren, Frequenzumrichtern, Mikrocontrollern und Kommunikationsmodulen zu kompakten und schnittstellenarmen Systemen ist ein typisches Beispiel hierfür.</para><para role="text">Im Zuge dieser Entwicklung werden mittlerweile verschiedene dezentrale Steuerungssysteme unterschiedlicher Komplexität am Markt angeboten und versprechen aufgrund ihrer Modularität und Vernetzbarkeit eine Reihe betrieblicher Vorteile, u.a.:</para><itemizedlist mark="disc" spacing="normal"><listitem><para role="text">erhöhte Verfügbarkeit durch verteilte Hardware</para></listitem><listitem><para role="text">transparentere, da lokal begrenzte Steuerungsstrukturen</para></listitem><listitem><para role="text">vereinfachte Vernetzbarkeit durch standardisierte Schnittstellen (Ethernet)</para></listitem><listitem><para role="text">verbesserte Wartbarkeit/Fernwartung durch standardisierte Schnittstellen</para></listitem><listitem><para role="text">vereinfachte Ablauflogiken innerhalb einzelner Module</para></listitem></itemizedlist><para role="text" /><para role="text">Hervorzuheben ist auch die Vernetzung der Module durch Ethernet und die Verwendung des nicht echtzeitfähigen TCP/IP Protokolls, welches aufgrund seiner großen Verbreitung die Konnektivität und Fernwartung der Module ohne hohen technischen Aufwand ermöglicht.</para><para role="text">Trotz der beschriebenen Vorteile und prinzipbedingten Potenziale werden zwar dezentrale Steuerungssysteme auf Feldbusbasis eingesetzt, die inne wohnende Steuerungslogik ist jedoch zumeist zentral und hierarchisch organisiert. Die „Intelligenz“ vor Ort wird damit nur in Grenzen genutzt und eine stringente logische Modularisierung ist bis dato auf wenige Anwendungen im Produktionsumfeld beschränkt geblieben.</para><para role="text">„... Die Wandelbarkeit [von Materialflusssystemen] bedingt in der Umsetzung neben dem Einsatz flexibler Fördersysteme insbesondere auch Automatisierungs­strukturen, die aufwandsarm zu projektieren bzw. zu integrieren sind und damit eine autoadaptive Funktionalität aufweisen, die diese Forderungen erfüllt. Ein weiterführendes Szenario dieser Zielsetzung stellt schließlich die vollständig autonome Steuerung logistischer Prozesse dar...“ [<link linkend="Scholz04">Scholz04</link>]<?d-linebreak?></para><para role="heading">Realtime Logistics</para><para role="text">Ein wesentliches Kriterium bei der Entwicklung von Steuerungssystemen allgemein ist die Abbildung echtzeitnaher Funktionalität. Diese unabdingbare Voraussetzung beschreibt die Fähigkeit, in einer vorgegebenen Umgebung innerhalb vorbestimmter Zeit auf ein äußeres Ereignis reagieren zu können. Diese (Echtzeit-) Fähigkeit (Realtime Capability) ist in hohem Maße kontextsensitiv und nicht nur von der physischen sondern auch von der logischen Umgebung abhängig. Dies erfordert die autonome Kommunikation sowohl mit anderen logistischen oder materialflusstechnischen Objekten innerhalb der aktuellen Umgebung als auch mit der Umgebung selbst (z. B. in Form der Ambient Intelligence) [<link linkend="tenHompel04">tenHompel04</link>].</para><para role="text">Diese Fähigkeit in Echtzeit oder echtzeitnah zu kommunizieren und zu reagieren ‑ als Voraussetzung für die Steuerung von Materialflusssystemen auf Basis modularer bzw. autonomer Entitäten<footnote><para role="footnote text,Fußnote"> Als Entität wird in diesem Zusammenhang die physische Repräsentanz im Sinne eines „Steuerungsknoten“ oder „steuerungstechnischen Moduls“ verstanden. Die allgemeine Bezeichnung Entität wurde gewählt, um Verwechselungen mit den Elementen klassischen dezentraler oder modularer Steuerungssysteme zu vermeiden. Entitäten besitzen in diesem Zusammenhang immer Server-Funktionalität.</para></footnote> ‑ gab dem Projekt „Realtime Logistics“ den Namen.</para><para role="text">Um eine durchgängige Gestaltung und Kommunikation über die Grenzen des traditionellen, SPS-basierten Entwurfes hinaus zu gewährleisten, sind hierbei die Entitäten als Web-Server auf Linux-Basis ausgeführt. Die Kommunikation erfolgt über XML-Standard, der auf allen Ebenen bis hin zur SAP-Integration Anwendung findet. Einerseits wird hierdurch der Transparenz der Kommunikation und der zunehmenden Verbreitung XML-basierter Web Services als de-facto-Standard informationslogistischer Kommunikation Rechnung getragen, andererseits ist die Einführung des EPC-konformen XML-Dialektes PML zusätzliche Motivation. Die vergleichsweise aufwendige Syntaktik von XML kontakariert zwar den Wunsch nach möglichst leistungsfähiger Kommunikation, in der Realität überschreiten die Latenzzeiten der Datenübertragung die effektiven Kommunikationszeiten jedoch ohnehin erheblich. Die verfügbaren Bandbreiten von 100 MHz und mehr liegen weit oberhalb der Anforderungen. Dies gilt auch für den erhöhten Kommunikationsbedarf, der durch das XML-Format und die Kommunikation der Entitäten untereinander entsteht. </para><para role="text">Die Linux-basierten Entitäten sind jeweils einer definierten Anzahl von Aktoren und Sensoren zugeordnet und steuern die Funktionalität vor Ort (zum Beispiel einer Weiche oder einer Pufferstrecke etc.). Die eigentliche (strategische) Steuerung des materialflusstechnischen Systems erfolgt über autonome, mobile Softwareagenten, die sich zwischen den Entitäten bewegen und als Java-Programm auf den jeweiligen Linux-Web-Servern ablaufen. Die Kommunikation der Agenten und ihre Bewegung erfolgt über den gleichen Kanal (TCP/IP auf Ethernet) wie die Kommunikation der Entitäten selbst. </para><para role="text">Jeder Agent wird einer fördertechnischen Einheit (einem Behälter, Paket o.ä.) zugeordnet und mit dem Eintritt in das System (bei erster Identifikation) gestartet. Anschließend bewegt sich der Agent parallel zur fördertechnischen Einheit von Entität zu Entität über das System.</para><para role="text">Neben der systemimmanenten Synchronisation von Material- und Informationsfluss liegt in der Kommunikation der mobilen Softwareagenten untereinander und mit ihrer Umwelt (Fördertechnik, Identsysteme etc.) die Möglichkeit zur strategischen Auftragsbearbeitung für jede Entität und damit für das gesamte materialflusstechnische System (vgl. Emergenz). In der Konsequenz werden lediglich eine Auftragsliste und die Topologie des Systems zentral gespeichert, die Auftragsbearbeitung erfolgt dezentral. Die resultierende Leistung des Gesamtsystems wird im Gegensatz zu einer vollständigen Batchvorplanung theoretisch nicht optimal sein, je nach Zielfunktion der Agenten kann jedoch eine sehr hohe Dynamik abgebildet werden.</para><para role="text">Die Identifikation und die Speicherung der Quelle/Ziel-Informationen erfolgt über RFID-Tags am Fördergut. Nahe liegender Weise kann zukünftig - entsprechend leistungsfähige und preiswerte Chip-Technologie vorausgesetzt - der Agent alternativ auf dem Tag gespeichert werden (Abb. 2).</para><para role="Abbildung"><anchor id="OLE_LINK1" /><anchor id="OLE_LINK2" /><mediaobject><imageobject><imagedata width="144.65mm" depth="251.97mm" fileref="dippArticle-2.png" format="PNG" srccredit="embed" /></imageobject><caption><para role="caption">Abbildung <phrase role="GEN_SEQ">2</phrase>: Agenten und Entitäten</para></caption></mediaobject></para><para role="heading">Literatur</para><informaltable frame="none"><tgroup cols="2"><colspec colname="col1" colwidth="120.4pt" colnum="1" /><colspec colname="col2" colwidth="349.1pt" colnum="2" /><tbody><row><entry colname="col1" valign="top" rowsep="0" colsep="0" align="left"><para role="litID">[<anchor id="Günthner98" />Günthner98]</para></entry><entry colname="col2" valign="top" rowsep="0" colsep="0" align="left"><para>Günthner, Willibald: Dynamik im Griff. In: Logistik Heute (1998) 12</para></entry></row><row><entry colname="col1" valign="top" rowsep="0" colsep="0" align="left"><para role="litID">[<anchor id="Günthner02" />Günthner02]</para></entry><entry colname="col2" valign="top" rowsep="0" colsep="0" align="left"><para role="litText">Günthner, Willibald: Anforderungen an automatisierte Materialflusssysteme für wandelbare Logistikstrukturen. In: Tagungsband Wissenschaftssymposium Logistik der BVL 2002, Huss-Verlag</para></entry></row><row><entry colname="col1" valign="top" rowsep="0" colsep="0" align="left"><para role="litID">[<anchor id="Günthner03" />Günthner03]</para></entry><entry colname="col2" valign="top" rowsep="0" colsep="0" align="left"><para role="litText">Günthner, Willibald: Materialflusstechnologie - Anforderungen und Konzepte für wandelbare Materialflusssysteme, 21. Dortmunder Gespräche, September 2003</para></entry></row><row><entry colname="col1" valign="top" rowsep="0" colsep="0" align="left"><para role="litID">[<anchor id="Krum2001" />Krum2001]</para></entry><entry colname="col2" valign="top" rowsep="0" colsep="0" align="left"><para role="litText">Krumnacker, Christoph: Konzeption eines agentenbasierten Modells für flexible Informationsschnittstellen in komplexen Logistiksystemen, Dissertation, Praxiswissen Verlag, 2001</para></entry></row><row><entry colname="col1" valign="top" rowsep="0" colsep="0" align="left"><para role="litID">[<anchor id="Meinberg96" />Meinberg96]</para></entry><entry colname="col2" valign="top" rowsep="0" colsep="0" align="left"><para role="litText">Meinberg, Uwe: Chancen mit dezentralen Steuerungen. In: Frankfurter Allgemeine Zeitung, Ausgabe vom 22.08.96</para></entry></row><row><entry colname="col1" valign="top" rowsep="0" colsep="0" align="left"><para role="litID">[<anchor id="Scholz04" />Scholz04]</para></entry><entry colname="col2" valign="top" rowsep="0" colsep="0" align="left"><para role="litText">Scholz-Reiter, Bernd; Freitag, Michael; Herzog, Otthein: Selbststeuerung logistischer Prozesse - Ein Paradigmenwechsel und seine Grenzen. Industrie Management 20 (2004) 1, GITO-Verlag</para></entry></row><row><entry colname="col1" valign="top" rowsep="0" colsep="0" align="left"><para role="litID">[<anchor id="tenHompel04" />tenHompel04]</para></entry><entry colname="col2" valign="top" rowsep="0" colsep="0" align="left"><para>ten Hompel, Michael; Stuer, Peter: Realtime logistics. In: Fördertechnik Jahressonderheft, 2004</para></entry></row></tbody></tgroup></informaltable><para role="text" /></section></article>