HyMAS (Hybrid Multi-Agent System) ist ein innovatives, intelligentes Planungssystem, das entwickelt wurde, um autonome und dynamische Entscheidungsunterstützung in komplexen Stahlproduktionsumgebungen zu ermöglichen. Das System basiert auf einem Agentenframework und ist mit dem industriellen Produkt PSImetals integriert. HyMAS kombiniert intelligente Agenten, digitale Zwillinge und maschinelles Lernen, um Produktionsabläufe in Echtzeit zu optimieren und auf unvorhergesehene Ereignisse oder Störungen zu reagieren.
Anstatt das System in einer realen Stahlfabrik zu implementieren, wurde eine virtuelle Stahlfabrik auf Basis der Prozessstruktur eines Weißblechherstellers aufgebaut. Diese simulierte Umgebung bildet realistische Produktionsabläufe nach und umfasst typische betriebliche Ereignisse und Störungen, um HyMAS unter realitätsnahen Bedingungen zu validieren.
Herausforderungen
Die Stahlproduktion ist durch einen hohen Energieverbrauch, enge Lieferfristen und eine hohe Störanfälligkeit, etwa durch Maschinenausfälle oder Materialfehler, gekennzeichnet. Traditionelle zentralisierte Planungssysteme sind häufig zu starr und reagieren nur langsam und unzureichend auf unerwartete Ereignisse. Diese mangelnde Anpassungsfähigkeit führt zu Effizienzverlusten und verpassten Lieferterminen.
Ziele
- Schnelle, autonome Neuplanung bei Produktionsstörungen ermöglichen.
- Operative Effizienz und Termintreue verbessern.
- Abhängigkeit von zentralisierter Neuplanung und manueller Koordination reduzieren.
- Menschliche Planer durch intelligente Entscheidungsunterstützung entlasten.
Lösungsansatz
Im Zentrum von HyMAS steht eine hierarchische, modulare Architektur aus autonomen Agenten, die jeweils für eine bestimmte Ebene der Produktionsplanung zuständig sind:
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Ressourcenagenten (RA) für einzelne Maschinen oder Produktionslinien
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Prozessagenten (PA) für komplette Prozessstufen
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Prozesskettenagenten (PCA) für die Koordination aufeinanderfolgender Prozesse
Jeder Agent verfügt über eingebettete Optimierungsmodelle, die auf mathematischen Algorithmen basieren – darunter sowohl Heuristiken als auch exakte Methoden. Die Komplexität dieser Modelle variiert: einige liefern schnell grobe, aber brauchbare Lösungen, andere benötigen mehr Rechenzeit, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen.
Um auf unterschiedliche Reaktionszeiten in verschiedenen Betriebssituationen eingehen zu können, ist die HyMAS-Architektur darauf ausgelegt, schnell erste brauchbare Lösungen zu liefern – insbesondere dann, wenn schnelle Entscheidungen erforderlich sind. Diese anfänglichen Lösungen basieren auf einfachen Heuristiken. Im Anschluss werden die Ergebnisse durch komplexere Optimierungsmethoden weiter verfeinert, sobald mehr Zeit zur Verfügung steht.
Die Agenten arbeiten eng zusammen, teilen Zwischenergebnisse und sind wechselseitig voneinander abhängig, um die Kohärenz des Gesamtsystems zu gewährleisten. Diese kooperative Struktur stellt sicher, dass lokale Entscheidungen im Einklang mit den übergeordneten Zielen stehen und das System auch unter Echtzeitbedingungen effektiv reagieren kann.
Ein wesentliches Merkmal von HyMAS ist die Möglichkeit für Planer, die Entwicklung der Lösungen in Echtzeit zu verfolgen. Je nach Art der Störung kann die verfügbare Reaktionszeit von Sekunden bis zu mehreren Minuten oder sogar Stunden variieren. Indem HyMAS frühzeitig zulässige Lösungen bereitstellt und diese schrittweise verfeinert, unterstützt das System eine agile und fundierte Entscheidungsfindung durch den Menschen – ohne dabei Geschwindigkeit oder Qualität einzubüßen.
Ergebnis
Das HyMAS-System wurde in einer simulierten Produktionsumgebung validiert, die typische Materialflüsse sowie eine Vielzahl von betrieblichen Ereignissen und Störungen – wie Maschinenausfälle, Qualitätsabweichungen, Lagerengpässe oder Eilaufträge – abbildete.
In dieser Simulation zeigte HyMAS eine deutliche Verbesserung der Planungsreaktionsfähigkeit und Anpassungsfähigkeit. Dank seiner mehrschichtigen Optimierungsstrategie und Agentenarchitektur konnte das System in Störungssituationen schnell erste, machbare Pläne liefern und diese im weiteren Verlauf kontinuierlich verfeinern. Dieses schrittweise Vorgehen ermöglichte es den Planern, jederzeit den aktuell besten bekannten Planstand einzusehen und fundierte Entscheidungen selbst bei engem Zeitrahmen zu treffen.
Ziele
Quantitative Auswertungen der Simulation ergaben, dass HyMAS im Vergleich zu herkömmlicher statischer Planung:
- bis zu 18 % Effizienzsteigerung,
- 8 % Verbesserung der Termintreue,
- deutlich schnellere Neuplanung mit sinnvollen Lösungen innerhalb von Sekunden erreichte.
Diese Ergebnisse unterstreichen die Fähigkeit von HyMAS, auch unter häufigen oder schweren Störungen Stabilität und Agilität in der Produktionsplanung sicherzustellen.
Fazit
HyMAS zeigt, wie eine hybride Multi-Agenten-Architektur durch die Kombination von Echtzeit-Heuristiken und fortgeschrittener Optimierung Agilität und Widerstandsfähigkeit in der Stahlproduktionsplanung ermöglichen kann. Die Simulation realistischer Szenarien belegt die Fähigkeit des Systems, schnell zu reagieren, Pläne schrittweise zu verbessern und menschliche Planer durch transparente, adaptive Entscheidungsunterstützung zu entlasten – ein wichtiger Schritt in Richtung autonomer Produktionssteuerung in komplexen industriellen Umgebungen.
