Kommissionierroboter Quadratisch, praktisch, optimal?

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Technische Universität Darmstadt Fachbereich Unternehmensführung und Logistik Fachbereich Rechts- und Wirtschaftswissenschaften

Mobile Kommissionierroboter finden in den sogenannten „Robotic Mobile Fulfillment Systems“ (kurz RMFS oder RMF-Systeme) Anwendung. Diese teilautomatisierten Systeme sollen die Flexibilität der manuellen Kommissionierung mit dem Durchsatz der automatisierten Kommissionierung paaren.

Zum jetzigen Zeitpunkt sind bereits erste Systeme mit mobilen Kommissionierrobotern in der Praxis im Einsatz, sodass sich die Frage stellt, wo RMF-Systeme zwischen manueller und automatisierter Kommissionierung zukünftig ihren potenziellen Einsatzbereich finden. Hier setzt unser Forschungsprojekt „roboKOM: Potentielle Einsatzbereiche mobiler Kommissionierroboter“ (IGF-Vorhaben Nr. 20351 N) mit dem Ziel an, die potenziellen Einsatzbereiche von mobilen Kommissionierrobotern zu ergründen.

Das Forschungsprojekt betrachtet die auftretenden Planungsprobleme eines RMF-Systems und definiert ein kombiniertes Modell für die Optimierung und Simulation der in dem System ablaufenden Prozesse. Ein Simulationsmodell bildet das RMF-System detailliert ab und dient der Leistungsanalyse, während die zugrunde liegenden Planungsprobleme durch integrierte Optimierungsverfahren gelöst werden. Die daraus resultierenden Ergebnisse werden für den Vergleich mit aktuell etablierten Kommissioniersystemen genutzt.

Was sind RMF-Systeme und wie sehen diese aus?

RMF-Systeme werden über vier grundlegende Komponenten definiert. Zu den Komponenten zählen die beweglichen Regale, deren Stellplätze, die Arbeitsstationen und die mobilen Roboter selbst. Die vorstehende Abbildung zeigt den beispielhaften Aufbau eines mehrstöckigen Lagerhauses, auf dessen Ebenen RMF-Systeme implementiert sind, und die detaillierte Darstellung einer Ebene mit allen Komponenten.

Im Gegensatz zu manuellen Person-zur-Ware- und automatischen Ware-zur-Person-Kommissioniersystemen werden bei RMF-Systemen einzelne Regale durch die mobilen Roboter bewegt und zu einer stationären Kommissionierbasis transportiert. Die beweglichen Regale werden als Pods bezeichnet. In ihnen wird der Bestand gelagert. Deren Stellplätze, die sogenannten Pod-Stellplätze, geben den Lagerort an, an dem die Pods temporär abgestellt werden. Die mobilen Roboter sind in der Lage, sich unterhalb der Pods zu bewegen, einzelne Pods anzuheben und sie anschließend zu einem bestimmten Ort in der Lagerhalle zu transportieren. Des Weiteren dienen die Arbeitsstationen als Auffüll- und Kommissionierstationen, an denen die Pods mit den ankommenden (das heißt zu lagernden) Waren befüllt oder ausgehende (das heißt bestellte) Waren von den Pods kommissioniert werden. Im Vergleich zur manuellen Kommissionierung verlassen die Kommissionierer bei dieser Systemart die Arbeitsstationen nicht.

Stattdessen werden die Pods von mobilen Robotern zu den Arbeitsstationen und nach Auffüllung/Kommissionierung der Ware zum nächsten Pod-Stellplatz transportiert.

Planungsprobleme beim Einsatz mobiler Roboter

Aus der detaillierteren Betrachtung der Abläufe ergibt sich die Frage, wie diese optimiert werden können. Die Planungsprobleme (PP) sind das Resultat einzelner Planungsaufgaben, die im operationalen Tagesgeschäft beim Einsatz von RMFS zu bewältigen sind. Die Abbildung veranschaulicht diese Planungsprobleme in hierarchischer Ordnung. Die einzelnen Planungsprobleme werden sequenziell gelöst, sodass das aus dem vorherigen Planungsproblem entstandene Ergebnis als Eingangsinformation für das nächste Problem genutzt wird.

Ein Teil der in der Abbildung genannten Planungsprobleme wurde in der Wissenschaft schon erforscht, sodass an einigen Stellen bereits effiziente Ansätze für die optimale Lösung einzelner Entscheidungsprobleme existieren (zum Beispiel Warenverteilung auf die einzelnen Pods oder Verkehrssteuerung der einzelnen Roboter). Allerdings besitzen zwei relevante Planungsprobleme noch keinen vollständigen Lösungsansatz: Dies sind zum einen die Zuordnung der Aufträge zu den Kommissionierstationen und zum anderen die Zuordnung der Pods zu den Kommissionierstationen.

Diese beiden Planungsprobleme auf der operativen Ebene sind stark voneinander abhängig. Einerseits ist es für die Planung der Auftragszuweisung wichtig, zu wissen, welcher Pod einem Kommissionierauftrag zugeordnet wird. Dies ist relevant, da meist eine Vielzahl an Produktarten auf einem Pod gelagert wird, wobei Artikel einer gleichen Warenart wiederum nicht einem spezifischen Pod zugeordnet sein müssen (sondern meist über mehrere Pods verteilt sind). Andererseits wird die Entscheidung über die Pod-Zuweisung zu den Stationen stark davon beeinflusst, welche Aufträge an welchen Stationen abgearbeitet werden. Mithilfe des kombinierten Ansatzes können letztlich die genannten Planungsprobleme gelöst werde, sodass der Einsatz mobiler Kommissionierroboter optimiert wird.

* Prof. Dr. Ralf Elbert leitet das Fachgebiet Unternehmensführung und Logistik der TU Darmstadt in 64289 Darmstadt, Tel. +49 6151 1624430, elbert@log.tu-darmstadt.de; Julia Wenzel und Dr. Giorgi Tadumadze sind wissenschaftliche Mitarbeiter der TU Darmstadt; Prof. Dr. Simon Emde arbeitet am Cluster for Operations Research, Analytics and Logistics (CORAL) der Universität Aarhus (Dänemark); Prof. Dr. Felix Weidinger leitet das Fachgebiet Management Science/Operations Research der TU Darmstadt

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