Simulation von Personal in Fertigungssystemen mit flexiblen Arbeitsstrukturen

Rita Freudenberg  und  Henry Herper

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Institut für Simulation und Graphik
PSF 4120
D-39016 Magdeburg

Zusammenfassung

Die Berücksichtigung von Personal in Simulationsmodellen in Fertigungssystemen mit flexiblen Arbeitsstrukturen gewinnt an Bedeutung, da das Personal ein wesentlicher Faktor in diesen Strukturen ist. Um die Auswirkungen der Einführung neuer Arbeitsstrukturen in der Planungsphase abschätzen zu können, muß eine personalorientierte Simulation integriert werden. Da am Markt verfügbare Simulationswerkzeuge die Abbildung des Personals meist nur auf einem sehr hohen Abstraktionsniveau erlauben, ist eine Ergänzung dieser Werkzeuge um personalspezifische Komponenten erforderlich. Diese sind in einer Personalspezifikation beschrieben und können entsprechend den gebotenen Möglichkeiten des Werkzeuges implementiert werden. Eine prototypische Umsetzung und die dadurch realisierbaren Auswertungen und Schlußfolgerungen zeigen den Nutzen einer solchen Simulation.

1. Motivation

Die Simulation ist bereits seit vielen Jahren als Hilfsmittel bei der Planung und Umgestaltung von Unternehmen anerkannt. Die Simulationswerkzeuge wurden an die dabei entstehenden Anforderungen angepaßt. So sind derzeit auf dem Markt eine Vielzahl von Simulationssystemen beispielsweise zur Fertigungssimulation verfügbar, die vorgefertigte Standardkomponenten wie Maschinen, Lager, Fördereinrichtungen usw. zur Parametrisierung anbieten. Aus diesen Komponenten erstellte Modelle sind besonders für die Bewertung der Leistungsfähigkeit des logistischen Systems geeignet. In letzter Zeit geht die Entwicklung in den Unternehmen dahin, weniger das Arbeitsumfeld und mehr die Arbeitsstruktur zu verändern. Demzufolge ist eine Weiterentwicklung der Simulationswerkzeuge in diese Richtung erforderlich.

Vor allem die erweiterten Entscheidungsfreiräume des Personals müssen im Modell berücksichtigt werden. Zur Simulation von Personal existieren ebenfalls spezielle Simulationssysteme, jedoch reduziert sich dort meistens die Abbildung des umgebenden Fertigungssystems auf eine abstrakte Darstellung. Ziel dieser Simulationsstudien sind z.B. die Beurteilung einzelner Arbeitsplätze. Die Fertigungssimulatoren betrachten das Personal meist als Ressource und lassen eine detaillierte Personalabbildung nicht zu. Um den Unternehmen Hilfestellung bei der Neustrukturierung ihrer Arbeitssysteme geben zu können, ist eine detaillierte Abbildung sowohl des Personals als auch des umgebenden Fertigungssystems erforderlich.

Eine Reihe von Werkzeugen erlauben dem Anwender, eigene Komponenten zu entwerfen und in das System zu integrieren. Aus diesem Grund soll hier ein Ansatz vorgestellt werden, der die erforderlichen Komponenten spezifiziert und so deren Entwurf erleichtert.

Die Integration des Personals in das Simulationsmodell erfordert die Erfassung und Aufbereitung zusätzlicher Eingabedaten sowie die Implementierung zusätzlicher Algorithmen. Das in diesem Beitrag vorgestellte Konzept soll zur Reduzierung des Aufwandes beitragen.

2. Komponenten zur Personalsimulation

Zunächst muß untersucht werden, welche Komponenten für eine Personalsimulation erforderlich sind. Dazu müssen die zu simulierenden Arbeitsstrukturen analysiert und deren wesentliche Merkmale extrahiert werden. Die Anforderungen, die an personalorientierte Simulation, unabhängig von der zu simulierenden Arbeitsstruktur, gestellt werden, sind zu berücksichtigen.

2.1. Merkmale flexibler Arbeitsstrukturen

Flexible Arbeitsstrukturen gibt es in vielen Unternehmen, es gibt ebenso viele unterschiedliche Ausprägungsformen dieser Strukturen. Sie sind abhängig von den Randbedingungen, wie Art der Produkte, Typenvielfalt, herzustellende Stückzahl oder auch von der Struktur des Betriebes, der Einstellungen des Personals und den Zielsetzungen des Betriebes. Abstrahiert man von diesen speziellen Randbedingungen, erhält man vergleichbare, aber kaum noch betriebsspezifische Aussagen über die Unternehmen. Da gerade die Spezifik eines Unternehmens zur Planung und Umsetzung neuer Arbeitsstrukturen wesentlich ist, kann dieser Ansatz hier nicht weiterverfolgt werden. Statt dessen wird eine Liste mit typischen Merkmalen flexibler Arbeitsstrukturen aufgestellt, die der Anwender im speziellen Fall wichten und denen er Freiheitsgrade zuordnen kann.

Arbeitsstrukturen beschreiben das Verhältnis zwischen Mensch und Arbeitsaufgabe. Maßnahmen zur Gestaltung sind Arbeitserweiterung, Arbeitsbereicherung, Arbeitsplatzwechsel und teilautonome Arbeitsgruppen, wobei in teilautonomen Arbeitsgruppen die anderen Maßnahmen integriert sein können. Die in flexiblen Arbeitsstrukturen auszuführenden Tätigkeiten unterscheiden sich von denen tayloristischer Systeme dadurch, daß ein größerer Anteil an nicht direkt wertschöpfenden Tätigkeiten von Personal ausgeführt wird, das auch die wertschöpfenden Tätigkeiten erledigt. Das arbeitsorganisatorische Konzept der Gruppenarbeit beschreibt personalorientierte flexible Arbeitsstrukturen. Deren Kerndimensionen sind nach [2]:

  1. Funktions- und Aufgabenintegration,
  2. Selbststeuerung und -kontrolle (Selbstorganisation),
  3. Kooperation und Kommunikation und
  4. Qualifikatorische Integration.
Diese Grundmerkmale lassen sich weiter untergliedern (siehe Bild 1).

Funktions- und Aufgabenintegration Selbststeuerung und Selbstkontrolle
  • Planung
  • Prozeßvorbereitung
  • Prozeßsicherung
  • Ausführung
  • Kontrolle
 
  • Arbeitsaufgabe
  • Arbeitszeit
  • Qualifizierung
  • Leistung
  • Qualität
 
Kooperation und Kommunikation Qualifikatorische Integration
  • gruppeninterne und -externe Kommunikation
  • Bearbeitung gemeinsamer Kernaufgaben
  • wechselseitige Unterstützung
 
  • Verringerung fachlicher Arbeitsteilung
  • Angleichung des Qualifikationsniveaus
  • Entwicklung von Sozialkompetenz in der Gruppe
 
Bild 1: Gestaltungsmerkmale von Gruppenarbeit (Quelle: [2])

2.2. Umsetzung der Merkmale

Für die Berücksichtigung dieser Merkmale im Simulationsmodell ist es erforderlich, Algorithmen zu finden, die eine adäquate Abbildung ermöglichen. Das ist bei personenbezogenen Fakten, wie sie hier vorliegen, sehr aufwendig. Die Funktions- und Aufgabenintegration läßt sich umsetzen, indem Zuständigkeiten, Qualifikationen und Auftreten der Aufgaben festgelegt werden. Kooperation und Kommunikation kann abgebildet werden, indem gesichert wird, daß an einer zentralen Stelle alle wesentlichen Informationen verfügbar sind, die von jedem Systemelement abgerufen werden können. Problematisch wird es bei der qualifikatorischen Integration, da dort Verhaltensweisen von Mitarbeitern modelliert werden müssen, die nicht algorithmisch beschreibbar sind. Es ist möglich, abstrakte Regeln zu verwenden, beispielsweise kann festgelegt werden, daß zur Angleichung des Qualifikationsniveaus jeder Mitarbeiter jede Arbeitsaufgabe oft genug ausführen muß und die Zuweisung der nächsten Arbeitsaufgabe darauf Rücksicht nimmt. Ebenfalls ist die Selbstorganisation mit klassischen Simulationswerkzeugen nicht mit vertretbarem Aufwand abbildbar. Es muß abstrahiert werden und das Ergebnis der Simulation ist wie folgt zu interpretieren:
"Wenn sich das Personal entsprechend der implementierten Strategien verhält, so sind die Arbeitsaufgaben mit den erzielten Ergebnissen lösbar. Es ist aber zu erwarten, daß durch die Flexibilität der Arbeitsstruktur bessere Ergebnisse möglich sind."

2.3. Personalorientierte Simulation

Bei der personalintegrierten Simulation ist die Bewertung der Leistung des logistischen Systems noch dominierend, jedoch wird das Personal schon stärker berücksichtigt. Ist diese Abbildung entsprechend der Zielstellung der Simulationsstudie bezüglich der Beurteilung des Personals nicht ausreichend, so müssen im Modell Aspekte der personalorientierten Simulation integriert werden. Bei der Anwendung der personalorientierten Simulation sind Organisationseinheiten (Arbeitsplätze oder Betriebsmittel), Funktionen und Personen im Modell detailliert abzubilden. Diese weisen untereinander bestimmte Relationen auf, wie Ausführbarkeit von Tätigkeiten an Arbeitsplätzen, Zuständigkeit von Personen zu Arbeitsplätzen und Fähigkeiten und Befugnisse von Personen, Tätigkeiten auszuführen. Die Notwendigkeit zur Modellierung verschiedener Personaltypen und die Notwendigkeit der Trennung von Maschinenzeit und Betriebszeit stellen weitere Mindestanforderungen dar (vgl. [4]).

Eine Abbildung der einzelnen Elemente und ihrer Relationen ist sehr aufwendig. Aus diesem Grund wird eine vereinfachte, realisierbare Implementation vorgenommen. Eine Tätigkeit wird eindeutig bezeichnet und bezieht sich auf einen festgelegten Arbeitsplatz. Damit ist die Ausführbarkeit von Tätigkeiten an einen Arbeitsplatz gebunden. Die gleiche Tätigkeit an einem anderen Platz ist demnach eine andere Tätigkeit. Jedem Mitarbeiter bzw. Personaltyp wird in einer Qualifikationsmatrix für jede Tätigkeit eine Qualifikation zugeordnet. Damit ist indirekt neben der Fähigkeit, diese Tätigkeit auszuführen auch die Zuständigkeit des Mitarbeiters für den entsprechenden Arbeitsplatz festgelegt. Die Qualifikation wird durch einen Wert zwischen 0 und 1 repräsentiert, wobei 0 "nicht qualifiziert" und 1 "voll qualifiziert" bedeutet. In welchen Abstufungen die Qualifikation dann zugeordnet wird ist abhängig davon, wie genau sie im speziellen Fall beschreibbar ist und was für die Zielstellung der Simulation notwendig ist.

Durch die eindeutige Festlegung einer Tätigkeit auf einen Arbeitsort können der Tätigkeit Belastungs- und Gefährdungsinformationen zugeordnet werden. Entsprechend der Dauer der Tätigkeiten kann nach der Simulation ein Belastungsprofil für jeden Mitarbeiter erstellt werden. Gegenseitige Beeinflussungen durch andere Arbeitsplätze, die nur temporär auftreten, werden vernachlässigt.

3. Entwicklung einer Personalspezifikation

Die Merkmale müssen in eine Form gebracht werden, die es einem Anwender ermöglicht, daraus die Komponenten für die personalorientierte Simulation zu entwickeln. Dazu wird eine Spezifikation aufgestellt, die alle Informationen formal beschreibt.

3.1. HLA-basierte Personalspezifikation

Eine Spezifikation kann formal oder informal erfolgen. Die formale Spezifikation hat gegenüber der informalen den Vorteil, daß sie Zusammenhänge gegebenenfalls leichter darstellen und rechnergestützt ausgewertet werden kann. Eine informale Spezifikation ermöglicht auch Personen, die keine Kenntnisse der formalen Sprache besitzen, ein Verständnis des Sachverhaltes.

Es gibt keine Standard-Spezifikationssprache für die diskrete Simulation. Im Bereich der verteilten Simulation etabliert sich seit 1996 der HLA-Standard des DoD [5]. Aus dieser Zielstellung ergeben sich die Schwerpunkte Standardisierung der Schnittstellen z.B. zwischen Modellen untereinander und zu anderen Komponenten sowie die Synchronisation von parallel ablaufenden Prozessen.

Es wurde untersucht, ob diese Spezifikationssprache auch auf die monolithische Simulation angewendet, um so einem Standard zu entsprechen und seine Eignung auf diesem Gebiet zu überprüfen.

In HLA werden die Objektklassen, Objekte mit ihren Eigenschaften und die Beziehungen untereinander beschrieben. Was nicht beschreibbar ist, ist das interne Verhalten eines Objektes, da HLA die miteinander agierenden Komponenten als "Black Box" betrachtet. So ergab sich die Notwendigkeit, das interne Verhalten zusätzlich zu beschreiben. Die Personalspezifikation umfaßt einen formalen Teil, der mit HLA spezifiziert ist, und einen informalen Teil, der alles beschreibt, was entsprechend der HLA-Spezifikation nicht erfaßt wurde.

Für den von uns realisierten Ansatz werden zur personalorientierten Simulation drei Komponenten definiert:

Die Mitarbeiter bilden jeweils einen Mitarbeiter bzw. Mitarbeitertyp ab, der eine Menge von Attributen enthält. Diese Menge stellt die Basismenge dar, die mindestens benötigt wird, Erweiterungen sind problemlos möglich.
Die Zeitverwaltung dient zur Modellierung der Arbeitszeit und kann in beliebiger Anzahl für beliebig viele Mitarbeiter eingesetzt werden.
Die Personalverwaltung ist eine logische Komponente. Sie stellt alle erforderlichen Informationen über Aufträge, Mitarbeitertätigkeiten und Systemzustand zur Verfügung und beinhaltet die Strategien zur Personaldisposition.

Die Spezifikation ist modular aufgebaut und beliebig erweiterungsfähig. Die in der Personaldisposition implementierten Strategien sind Standardstrategien, die für den speziellen Anwendungsfall ergänzt oder geändert werden können. Die Komponenten können, sofern es das Simulationssystem erlaubt, in dieses integriert werden und stehen so für die personalorientierte Simulation zur Verfügung (siehe [3]).

3.2. Implementation

Die Spezifikation wurde prototypisch in verschiedenen Simulatoren umgesetzt. Der Simulator WITNESS stellt eine Komponente "Werker" bereit, um Personal abzubilden. Für die personalorientierte Simulation ist diese jedoch nicht ausreichend. Die Spezifikation ließ sich nur ansatzweise realisieren, da kein Zugriff auf intern ablaufende Mechanismen bei der Personalzuordnung besteht. In Simple++ besteht die Möglichkeit zur Schaffung eigener Modellkomponenten, dadurch ließ sich die Spezifikation komplett abbilden. In SLX ist eine Umsetzung ebenfalls komplett möglich, da es eine Ebenenstruktur besitzt und man bis auf die Programmierebene zugreifen kann.

Als Beispielmodell wurde eine Montagestrecke gewählt, da Fertigung und Montage die Haupteinsatzgebiete bei der Einführung flexibler Arbeitsstrukturen sind.

Das Modell besteht aus fünf im Kreis angeordneten Arbeitsstationen, die mit Schienen verbunden sind. Die Teile bewegen sich auf Montagewagen entlang der Schienen, sie können sich nicht überholen. Es müssen vier verschiedene Teiletypen montiert werden. Die Mitarbeiter können entweder ein Teil komplett montieren oder nur an bestimmten Stationen eingesetzt werden. Die Mitarbeiterqualifikation ist Experimentierparameter.

4. Ergebnisse

Mit einer personalorientierten Simulation lassen sich personalbezogene Fragen lösen. Am Beispielmodell lassen sich mögliche Szenarien zeigen.

4.1. Auswertungsmöglichkeiten

Eine typische Fragestellung bei der Einführung flexibler Arbeitsstrukturen ist die Ermittlung des vorhandenen und des benötigten qualifikatorischen Potentials. Das vorhandene Potential läßt sich bereits vor der Simulation ermitteln, indem die Qualifikation der Mitarbeiter auf geeignete Weise erfaßt wird. Das erfolgt über die Qualifikationsmatrix. Möglicherweise ist bereits jetzt erkennbar, das zuwenig Potential zur Verfügung steht und Qualifikationen erforderlich sind (siehe Bild 2). Nach Abschluß der statischen Berechnungen erfolgt eine dynamische Analyse des notwendigen Qualifikationspotentials unter Verwendung des Simulationsmodells.

Verfügbares Qualifikationspotential
Bild 2: Verfügbares Qualifikationspotential

Tätigkeiten von Mitarbeiter 4
Bild 3: Tätigkeiten von Mitarbeiter 4

Eine Möglichkeit der Bewertung besteht darin, jede Tätigkeit jedes Mitarbeiters in einem Trace-File zu protokolliert (siehe Bild 3). Damit kann nach einem Simulationslauf festgestellt werden, ob der Mitarbeiter für die Tätigkeiten, die er ausgeführt hat, adäquat qualifiziert war. Aussagen über Monotonie können getroffen werden, die im Nachhinein auch bewertet werden und zu Änderungen der Zuordnungsstrategien führen können. Die Gesamtauslastung des Systems ist analysierbar in Verbindung mit personalbedingten Störungen und Ausfällen. Ein anderer Ansatz besteht darin, jedem Mitarbeiter die Qualifikation für alle Tätigkeiten zuzuordnen und anschließend seine qualifikatorische Auslastung zu bewerten.

4.2. Schlußfolgerungen

Durch die detailliertere Abbildung des Personals werden zusätzliche Informationen für die Entscheidungsfindung bereitgestellt. Nach Abschluß der Simulation ist nachvollziehbar, wer wann wo was gemacht hat. Die allgemeine Personalauslastung kann genauer untersucht werden hinsichtlich der Ursachen für Wartezeiten, Wirksamkeit von Strategien und Methoden. Es können personenbezogene Auswertungen, wie Belastungsprofil, Monotonie oder Lohnberechnungen post-run ausgeführt werden. Bei Kenntnis der Zusammenhänge kann Lernverhalten nachgebildet werden, das sich in einer Änderung der Qualifikation für die Tätigkeit während der Simulation auswirkt.

Wie detailliert die Abbildung im Einzelfall erfolgt ist von der konkreten Zielstellung abhängig. Der modulare, offene Aufbau der Spezifikation erlaubt eine beliebig genaue Modellierung.

Die personalorientierte Simulation ist immer auch mit einem erhöhten Aufwand für die Modellerstellung, Experimentdurchführung und Resultatauswertung verbunden. Daher muß für jede Simulationsstudie neu entschieden werden, welche Aspekte der personalorientierten Simulation zu integrieren sind.


Literatur

[1] J. Banks, J.S. Carson and B.L. Nelson. Discrete-event system simulation. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall, 1996
[2] K. Dieckhoff, H. Eisenlauter und W. Schröter. Gruppenarbeit – Chancen und Probleme. Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V., 1994
[3] R. Freudenberg. Abbildungsmöglichkeiten von flexiblen Arbeitsstrukturen mit Simulationswerkzeugen. Diplomarbeit Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, 1997
[4] G. Zülch, J. Heel. Beschreibung personalorientierter Simulationsverfahren. Fortschritte in der Simulationstechnik, 1997, S.59-66
[5] High Level Architecture for Modeling and Simulation. Handbuch. http://www.hla.dmso.mil/
ISG <rita@isg.cs.uni-magdeburg.de>
Last modified: Wed Aug 5 08:22:03 1998 Ansprechpartner Projektpartner Projekttr ger vorherige Seite Seitenanfang nächste Seite Startseite