Untersuchung des Einsatzes von Multiagentensystemen für die Steuerung des Materialflusses in der innerbetrieblichen Logistik

Studienarbeit von Tim Bahlo

Einleitung:

Eine Motivation für diese Arbeit ist aus vielen unterschiedlichen Gründen gegeben. Einen Teil der Motivation zu dieser Arbeit liefert bspw. die in [JBe98] beschriebene Notwendigkeit zur Auseinandersetzung mit unterschiedlichen Arten der Materialflusssteuerung, um die Effizienz von Materialflusssteuerungen steigern zu können:

-Über die Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens entscheidet heute immer häufiger dessen Leistungsfähigkeit in den Bereichen Materialfluss und Logistik. Konkurrenzsituationen und der Preisdruck erfordern das Ausschöpfen aller Potentiale.

- Die Effizienz eines Unternehmens hängt im hohen Maße davon ab, wie Prozesse, Daten, Informationen und Hilfsmittel gestaltet sind.

Um dem Wettbewerb standhalten zu können, ist es also notwendig existierende Materialflusssysteme auf ihre Effizienz hin zu untersuchen und den Einsatz alternativer Lösungen in Betracht zu ziehen und gegebenenfalls näher zu erforschen. Als alternative Lösung wird in dieser Arbeit der Einsatz von Multiagentensystemen für die Materialflusssteuerung geprüft werden. Dass diese Variante vermutlich Erfolg verspricht und in aktuellen Forschungen Berücksichtigung findet, ist bspw. erkennbar, wenn man eine Internetsuchmaschine zu Rate zieht und sich die Ergebnisse genauer ansieht.

Tippt man in so eine Suchmaschine den Begriff Agent ein, so stößt man unmittelbar auf eine Reihe von Aussagen, wie bspw. die folgende Aussage [WWW_MA]:

- ‚Mobile Agenten' sind sicher schon jetzt zum Modebegriff geworden, hinter dem sich allerdings auch interessante und komplexe Forschungsthemen verbergen. Um das fundierte wissenschaftliche Hinterfragen, der an sich bestechend einfachen Idee, kümmern sich auch in Deutschland immer mehr Arbeitsgruppen. Allerdings steckt die Forschung vergleichsweise noch in den Kinderschuhen, aber schon jetzt wird in der Industrie von Superlativen gesprochen.

Zitate dieser Art bilden sicherlich ein weiteres Stück Motivation für diese Arbeit und allgemein für die nähere Untersuchung des Themengebiets Agenten. Interessant und sicherlich zu beachten ist, dass der letzte Teil der Aussage für beinahe alle Forschungsbereiche gleichermaßen gilt. Die Erfahrungen mit Agenten und Multiagentensystemen weisen generell eher kürzere Historie auf.

Die Erforschung dieser Themenbereiche ist also eine zum Teil noch bevorstehende große Aufgabe. Diese Studienarbeit soll einen kleinen Beitrag dazu leisten. Als weiterer wichtiger Motivationspunkt ist der aktuelle Stand der Technik zu nennen, welcher offensichtlich zugleich die beiden vorgestellten Motivationspunkte unterstützt: Komplexe Materialflusssysteme werden noch überwiegend mit zentralen SPS1 und Leitrechnern bedient und bleiben nahezu unverändert über einen langen Zeitraum in Betrieb. Die vorliegende Arbeit untersucht deshalb alternative, flexiblere, agentenbasierte Konzepte, stellt aktuelle Forschungen vor und prüft deren möglichen Einsatz in Materialflusssteuerungssystemen. Dabei ist die Arbeit folgendermaßen aufgebaut:

Kapitel 2 schafft einen Überblick über konventionelle Steuerungen und Steuerungssysteme, sowie die ihnen zugrunde liegenden Begriffe, Verfahren und Unterscheidungsmerkmale. Außerdem werden die Ziele, Aufgaben und Strategien der bekannten Systeme vorgestellt. In Kapitel 3 wird das grundlegende Konzept der Agenten vorgestellt. Hierzu werden zunächst einige Definitionen und Wortbedeutungen erläutert. Das Kapitel geht anschließend auf die unterschiedlichen Agententypen ein und untersucht deren Eigenschaften. Kapitel 4 benutzt die im vorangegangenen Kapitel erarbeiteten Erkenntnisse und beschreibt die Einbettung mehrerer Agenten in ein Multiagentensystem. Außerdem werden die bekannten unterschiedlichen Multiagentensysteme und deren Eigenschaften vorgestellt und analysiert.

Thematisch sind die Kapitel 3 und 4 also insofern strikt voneinander getrennt, als dass Kapitel 3 zunächst den Agenten als einzelne Komponente betrachtet und in Kapitel 4 mehrere dieser Agenten in einem System untersucht werden. Zwei ergänzende Abschnitte in Kapitel 4 betrachten unterschiedliche Agentensprachen und das Konzept der Multiagentenorganisationen. Das Kapitel 5 geht zunächst auf aktuelle Forschungen durch Organisationen und auf Forschungsaktivitäten an Universitäten ein. Außerdem werden anschließend einige Forscher vorgestellt, die bedeutsam für die Forschung im Bereich der Agenten sind. Des weiteren wird eine Liste von interessanten Fachzeitschriften angegeben, die aktuelle Forschungsergebnisse veröffentlichen und eine gute Quelle für qualitativ hochwertige Informationen sind. Abschließend wird eine durch unterschiedliche Quellen bekräftigte Einschätzung gegeben, inwieweit das Konzept der Multiagentensysteme für die Materialflusssteuerung von Bedeutung ist. Das letzte Kapitel gibt eine Zusammenfassung der Arbeit an. Zudem beschreibt es die durch Arbeit gewonnenen Erkenntnisse und bei der Bearbeitung der Aufgabenstellung bestehende Schwierigkeiten.

Inhaltsverzeichnis:

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Textprobe:

Kapitel 4.3, Agentenkommunikation:

Wird von einer Vielzahl von Agenten, über deren Beziehungen untereinander, deren Zusammenarbeit oder deren gegenseitige Konkurrenz geredet, so tauchen häufig die Begriffe Kommunikation, Koordination, Interaktion, Kooperation und Kollaboration auf. Der folgende Abschnitt hält die unterschiedlichen Bedeutungen dieser Begriffe der Form nach fest und soll helfen, die Begriffe klar voneinander abgrenzen zu können. In [Kie05] werden die Ausdrücke allgemein und in Bezug auf Beziehungen in soziotechnischen Systemen beschrieben. Eine Vielzahl dieser Betrachtungen ist jedoch unmittelbar übertragbar. Kommunikation ist für Agenten notwendig, um einem Kommunikationspartner interne Informationen erfahrbar zu machen. Sie beschreibt lediglich die Übermittlung von Informationen zwischen Agenten ohne dass diese verarbeitet werden bzw. ohne dass das Wissen, welches aus der Information gewonnen werden könnte, genutzt wird. Also bildet die Kommunikation die Grundlage für Koordination, Interaktion, Kooperation und Kollaborati-9 Emergenz = Begriff, der das Erscheinen von Phänomenen auf der Makroebene durch das Zusammenwirken der Subsysteme auf der Mikroebene bezeichnet 4 Multiagentensysteme.

Kapitel 4.3, Agentenkommunikation:

In Agentensystemen ist Kommunikation unter einzelnen Agenten, sowie Kommunikation zwischen einem Agenten und einer zentralen Instanz denkbar. Koordination Im Kontext von Gruppenarbeit beschreibt Koordination die Kommunikation zum Zwecke der Abstimmung der aufgabenbezogenen Tätigkeiten im Rahmen der Gruppenarbeit. Agenten, die koordiniert arbeiten, kommunizieren um verzahnt arbeiten zu können. Es ist offensichtlich, dass Koordination, die von einer zentralen Instanz betrieben wird, welche alle Informationen zur Verfügung stehen hat, in der Regel e-zienter10 ist, als die Koordinierung zwischen einzelnen Agenten.

Interaktion ist zielgerichtet. Handlungen von einzelnen Agenten oder Akteuren beeinflussen sich gegenseitig. Akteur A wird also durch die Handlungen von Akteur B bei seinen Entscheidungen beeinflusst und trifft somit Entscheidungen eventuell in Abhängigkeit von Handlungen des Akteurs B. Interaktion kann auch konkurrierend sein. Das heißt Akteur A würde Entscheidungen treffen, um Akteur B zu behindern bzw. um eine knappe Ressource (bei Agenten im Materialfluss bspw. eine enge Durchfahrt) für sich zu beanspruchen oder zu sichern.

Interaktion kann aber auch dazu benutzt werden, um gemeinsame Ziele zu verwirklichen (siehe Kooperation). Kapitel 4.4.1 beschäftigt sich genauer mit Interaktionen und unterschiedlichen Interaktionssituationen in Multiagentenumgebungen. Außerdem werden die Möglichkeiten und Probleme untersucht, die aus Interaktionssituationen entstehen. Kooperation Die Kooperation ist eine bestimmte Form der Interaktion (und folglich ebenfalls zielorientiert), wobei die kooperierenden Elemente versuchen, gemeinsame Ziele koordiniert zu verfolgen und sich gegenseitig positiv zu beeinflussen. Kooperation ist insbesondere abzugrenzen gegenüber der konkurrierenden Interaktion, da die kooperierenden Elemente versuchen, sich gegenseitig positiv zu beeinflussen bzw. sich gegenseitig bei verschiedenen Zielen zu unterstützen. Kapitel 4.4.2 beschäftigt sich genauer mit Kooperationen und unterschiedlichen Kooperationssituationen in Multiagentenumgebungen. Außerdem werden aus Interaktionssituationen entstehende Möglichkeiten und Probleme untersucht. Kollaboration Kollaboration setzt das Vorhandensein eines gemeinsamen Verständnisses des gemeinsam zu lösenden Problems voraus. Während koordinierte Elemente nur versuchen sich nicht gegenseitig zu behindern und sich soweit wie möglich zu unterstützen, lösen kollaborierende Elemente Probleme gemeinsam und müssen somit die gleichen Informationen haben oder 10im Sinne von abgestimmter Multiagentenumgebungen von einer zentralen Instanz gesteuert sein, welche alle Informationen hat und zur Verfügung stellen kann.

Kapitel 4.4, Multiagentenumgebungen:

Nachdem in Kapitel 3.3 unterschiedliche Agentenumgebungen und in Kapitel 4.3 unterschiedliche Kommunikationsarten zwischen mehreren Agenten, sowie Prinzipien für den Umgang mit anderen Agenten vorgestellt worden sind, bezieht sich der folgende Abschnitt auf eine Beschreibung der durch unterschiedliche Ziele und Kommunikationsmethoden der einzelnen Agenten entstehende Multiagentenumgebungen. Dabei wird in [RNo04] im Gegensatz zu [Kie05] grundsätzlich nur zwischen den zwei folgenden Umgebungen unterschieden:

- Konkurrierende Multiagentenumgebung.

- Kooperative Multiagentenumgebung.

Bei der Umgebung eines Schachspiels handelt es sich bspw. um eine konkurrierende Multiagentenumgebung. Die Leistungsbewertung eines Spielers11 kann nur maximiert werden, wenn die des Gegners minimiert wird. Ein gemeinsames Erreichen aller Ziele aller Agenten ist augenscheinlich nicht möglich. Als Beispiel für eine rein kooperative Multiagentenumgebung kann auch in diesem Zusammenhang die Umgebung eines Ameisenhaufens12 genannt werden. Nur wenn zwischen den Agenten Kooperation stattfindet, kann die Leistungsbewertung der einzelnen Agenten und somit aller maximiert werden.

In vielen Fällen sind jedoch sowohl kooperative als konkurrierende Aspekte in Multiagentenumgebungen zu beobachten. Es kann partiell konkurrierende Multiagentenumgebungen mit kooperativen Komponenten geben: Auf der einen Seite ist in einem Fahrerlosen Transportsystem bspw. das Vermeiden von Zusammenstößen zwischen den einzelnen Förderzeugen sicher für alle Beteiligten zum Erreichen ihrer Ziele förderlich und somit ein notwendiger kooperativer Teil des Systems. Auf der anderen Seite kann es im System Abschnitte geben, auf denen nur jeweils ein Förderzeug fahren kann. In diesem Abschnitt konkurrieren also einzelne Förderzeuge um bestimmte Ressourcen, wie bspw. den freien Fahrweg.

In [Fer01] wird auf die Interaktion und Kooperation zwischen Agenten in Multiagentensystemen genauer eingegangen. Dabei werden notwendige Bestandteile für Interaktionen und die beiden am Schach teilnehmenden Spieler werden in diesem Beispiel durch zwei konkurrierende Agenten simuliert. Außerdem werden unterschiedliche Situationen genannt, in welchen jeweils Interaktion bzw. Kooperation möglich ist.