Automatisierung der Produktionsplanung

Integrierte Auftrags- und Personaleinsatzplanung mit heuristischen und optimierenden Verfahren

Im Rahmen der Bachelorarbeit an der ZHAW wurde ein integriertes Planungssystem zur automatisierten Auftrags- und Personaleinsatzplanung konzipiert und entwickelt. Ziel war es, unter Bedingungen hoher Dynamik und variabler Personalverfügbarkeit eine konsistente, transparente und operativ umsetzbare Planung zu ermöglichen und damit die Grenzen klassischer Planungsansätze in KMU zu adressieren.

Das System kombiniert heuristische und optimierungsbasierte Verfahren aus dem Operations Research und verbindet simulationsbasierte Bewertung mit operativer Entscheidungslogik. Dadurch entsteht eine performante und praxisnahe Entscheidungsunterstützung, die sowohl planerische Qualität als auch operative Umsetzbarkeit berücksichtigt.

Industrielle Fertigungsanlage mit mehreren Maschinen in einer Fabrikhalle

Ausgangslage

Die Ausgangslage der Arbeit bildeten empirische Daten aus einem blechbearbeitenden KMU in der Deutschschweiz. Vorgabe war es, auf dieser Basis ein Planungskonzept zu entwickeln, das eine kombinierte Auftrags- und Personaleinsatzplanung ermöglicht.

Die zugrunde liegende Datenbasis umfasste drei zentrale Elemente:

  • Kompetenzmatrix zur Abbildung der Qualifikationen der Mitarbeitenden

  • Anwesenheitsprofile zur Beschreibung der standardmässigen Präsenzzeiten

  • Arbeitspläne, welche Bearbeitungszeiten und die Abfolge der Arbeitsstationen je Produkt definieren


Während Kompetenzmatrix und Anwesenheitsprofile mit geringem Aufwand erstellt und gepflegt werden können, wurden die Arbeitspläne als kritisch erachtet, da sie eine notwendige Voraussetzung für jede Form operativer Produktionsplanung darstellen.

Die Anwesenheitsprofile basierten auf den vertraglichen Pensen und Präferenzen der Mitarbeitenden und wurden in einer Granularität von Halbtagen abgebildet. Diese Annahme wurde als praxisnah erachtet und erlaubte eine realistische Abbildung flexibler Arbeitszeiten, ohne die Modellkomplexität unnötig zu erhöhen.

Ergänzend wurden historische Auftragsdaten ausschliesslich für die Simulation und Validierung des Systems verwendet. Da das Projekt nicht in direkter Zusammenarbeit mit dem datenliefernden Unternehmen durchgeführt wurde, diente die Datenbasis dem Vergleich des entwickelten Konzepts mit einem hypothetischen Referenzszenario unter identischen Rahmenbedingungen.

Vorgehen und Methoden

  • Zu Beginn der Arbeit wurde eine gezielte Literaturrecherche zur Produktionsplanung mit Fokus auf Auftrags- und Personaleinsatzplanung sowie zu relevanten Scheduling- und Optimierungsansätzen des Operations Research durchgeführt. Bestehende Ansätze wurden eingeordnet und ein fundiertes Verständnis für heuristische und optimierungsbasierte Verfahren geschaffen.

    Darauf aufbauend wurde das Projektziel definiert, ein konsistentes Planungskonzept für eine kombinierte Auftrags- und Personaleinsatzplanung zu entwickeln, das unter typischen KMU-Rahmenbedingungen anwendbar ist. Das Konzept sollte dynamische Anpassungen wie neue Aufträge und Planabweichungen ermöglichen, transparente Planungsergebnisse liefern und als Entscheidungsgrundlage im operativen Alltag dienen.

    Über die konzeptionelle Ausarbeitung hinaus wurde angestrebt, das entwickelte Konzept als Planungssystem prototypisch zu implementieren und in einer simulationsbasierten Umgebung zu validieren.

    Konkret sollte das System es ermöglichen, für neu eintreffende Aufträge auf Basis einer automatisch und nahezu in Echtzeit erstellten Auftrags- und Personaleinsatzplanung simulationsbasiert belastbare Liefertermine zu bestimmen.

  • Die Konzeptionsphase war geprägt von einer offenen und explorativen Suche nach einem geeigneten Lösungsansatz für die kombinierte Auftrags- und Personaleinsatzplanung unter Echtzeitanforderungen. Zwar war das Zielbild klar definiert, jedoch liessen sich bestehende Konzepte aus Literatur und Praxis nicht direkt auf den vorliegenden Anwendungsfall übertragen.

    Ein naheliegender Ansatz bestand in der Formulierung eines Optimierungsmodells, das Auftrags- und Personaleinsatzplanung gemeinsam optimal löst. Aufgrund der hohen kombinatorischen Komplexität des Gesamtproblems, erwies sich dieser Ansatz jedoch als nicht praktikabel für einen operativen Einsatz mit kurzen Reaktionszeiten. Heuristische Verfahren erschienen grundsätzlich geeigneter, allerdings fehlte ein bekannter Ansatz, der eine konsistente Kombination von Auftrags- und Personaleinsatzplanung in einem gemeinsamen Schritt ermöglicht.

    Vor diesem Hintergrund wurde iterativ ein Lösungsprinzip entwickelt, das die Vorteile beider Welten kombiniert. Der zentrale Gedanke bestand darin, Auftrags- und Personaleinsatzplanung gemeinsam heuristisch zu erzeugen und diese anschliessend gezielt durch Optimierung zu verfeinern. Dieses Konzept bildete die Grundlage für den weiteren methodischen und technischen Aufbau des Planungssystems.

  • Das entwickelte Planungskonzept wurde prototypisch in Python implementiert und in eine simulationsbasierte Umgebung eingebettet. Ziel der Implementierung war es, die konzeptionellen Annahmen zu überprüfen und das Zusammenspiel von Auftrags- und Personaleinsatzplanung unter realistischen Betriebsbedingungen nachvollziehbar abzubilden.

    Die Simulation modellierte den Produktionsablauf als dynamisches System, in dem Aufträge als Entitäten durch Arbeitsstationen mit begrenzten personellen Ressourcen geführt werden. Auf dieser Basis konnten die fortlaufende Auftragslage in der Produktionsumgebung, Kapazitätsengpässe bei Personal und Arbeitsstationen sowie zentrale Leistungskennzahlen wie Durchlaufzeit, Ware in Arbeit und Durchsatz systematisch analysiert werden.

  • Die Leistungsfähigkeit des Planungssystems wurde anhand verschiedener Kennzahlen bewertet und mit einem naiven Referenzszenario verglichen, das typische, bewusst vereinfachte KMU-Planungspraktiken abbildet. Beide Szenarien basierten auf identischen Auftrags- und Ressourcenstrukturen und unterschieden sich ausschliesslich in der angewandten Planungs- und Steuerungslogik.

    Die Auswertung erfolgte mittels simulationsbasierter Experimente, statistischer Analysen und grafischer Auswertungen. Die Ergebnisse zeigten konsistent signifikante Verbesserungen gegenüber dem Referenzszenario und bestätigten die Wirksamkeit des entwickelten Konzepts.

Konzepterstellung auf weissem Papier

Lösungskonzept

Das entwickelte Lösungskonzept beschreibt die zentrale Logik des Planungssystems und die Mechanismen, mit denen Auftrags- und Personaleinsatzplanung konsistent, dynamisch und praxisnah umgesetzt werden kann. Im Fokus stehen dabei nicht einzelne Algorithmen, sondern das Zusammenspiel aus Planung, Simulation und Anpassungsfähigkeit im operativen Kontext. Die folgenden Abschnitte erläutern die wesentlichen konzeptionellen Bausteine, die das System befähigen, unter realistischen KMU-Bedingungen belastbare und umsetzbare Planungsergebnisse zu liefern.

  • Kern des Lösungskonzepts ist die gleichzeitige Erzeugung von Auftrags- und Personaleinsatzplanung. Beide Planungsebenen werden nicht sequenziell, sondern innerhalb derselben Heuristik erstellt und bilden zwei untrennbare Seiten derselben Planung. Dadurch wird sichergestellt, dass jede erzeugte Auftragsplanung von Beginn an personell realisierbar ist.

    Im Gegensatz zu klassischen Ansätzen, bei denen die Personaleinsatzplanung nachgelagert oder als Korrekturschritt erfolgt, berücksichtigt das Konzept Qualifikationen, Verfügbarkeiten und betriebliche Vorgaben bereits während der Planungserzeugung. Kritische Bedingungen werden somit nicht nachträglich geprüft, sondern sind integraler Bestandteil der Planung. Dies verhindert inkonsistente oder nicht lösbare Planungssituationen.

    Auf dieser konsistenten Ausgangslösung aufbauend kann die Personaleinsatzplanung gezielt weiter verbessert werden, ohne die zugrunde liegende Auftragsfolge zu verändern. Die kombinierte Planung bildet damit eine stabile und belastbare Basis für operative Entscheidungen, simulationsbasierte Lieferterminbestimmungen sowie die transparente Beurteilung von Kapazitäten und Auslastungen.

  • Das Lösungskonzept ist auf eine rollende Planung ausgelegt, die kontinuierlich aktualisiert und fortgeschrieben wird. Dabei wird bewusst zwischen einem fixen Planungshorizont und einem flexiblen, dynamischen Planungsteil unterschieden.

    Der fixe Planungshorizont dient der operativen Verlässlichkeit. Innerhalb dieses Zeitraums werden Auftrags- und Personaleinsatzplanung verbindlich festgelegt und bilden die Grundlage für die Kommunikation von Präsenzzeiten sowie die operative Umsetzung im Betrieb. Planänderungen innerhalb dieses Horizonts sind nur in Ausnahmefällen vorgesehen.

    Der flexible Planungsteil schliesst direkt an den fixen Horizont an und bildet die zukünftige Auftrags- und Personalsituation ab. Dieser Bereich bleibt bewusst veränderbar und reagiert dynamisch auf neue Aufträge, veränderte Rahmenbedingungen oder Planabweichungen. Dadurch kann das System fortlaufend eine konsistente Gesamtplanung erzeugen, ohne die operative Stabilität zu gefährden.

    Durch diese Trennung lassen sich kurzfristige Verbindlichkeit und langfristige Anpassungsfähigkeit miteinander vereinen. Das Planungssystem bleibt auch bei hoher Dynamik anschlussfähig an den operativen Alltag und ermöglicht gleichzeitig eine vorausschauende Bewertung zukünftiger Entwicklungen.

  • Neue Aufträge werden im Lösungskonzept nicht isoliert betrachtet, sondern stets im Kontext der aktuellen und zukünftigen Auftrags- und Personalsituation bewertet. Ziel ist es, die Auswirkungen eines zusätzlichen Auftrags auf Termine, Kapazitäten und Auslastungen realistisch abzuschätzen, bevor dieser verbindlich eingeplant wird.

    Hierzu wird die bestehende Planung als Ausgangspunkt genutzt und um den neuen Auftrag ergänzt. Die resultierende Auftrags- und Personaleinsatzplanung wird simulationsbasiert fortgeführt, sodass die zeitlichen Auswirkungen entlang des gesamten Produktionssystems sichtbar werden. Auf diese Weise können belastbare Liefertermine ermittelt werden, ohne bestehende Aufträge oder Planungszusagen zu gefährden.

    Dieser Mechanismus ermöglicht es, neue Aufträge dynamisch zu bewerten. Gleichzeitig bleibt die Planung stabil, da neue Aufträge nur so in den operativen Plan übernommen werden, dass sie innerhalb der bestehenden Kapazitäts- und Personalstruktur realisierbar sind.

    Durch die simulationsbasierte Einbettung neuer Aufträge wird das Planungssystem zu einem operativen Entscheidungsinstrument, das nicht nur bestehende Abläufe abbildet, sondern aktiv bei Angebots- und Priorisierungsentscheidungen unterstützt.

  • Das Lösungskonzept ist darauf ausgelegt, dynamisch auf Veränderungen im operativen Umfeld zu reagieren. Neue Aufträge, Planabweichungen oder Änderungen in der Personalverfügbarkeit lösen stets denselben Planungsmechanismus aus, wodurch Auftrags- und Personaleinsatzplanung kontinuierlich aktualisiert werden können.

    Die Planung erfolgt dabei automatisiert und mit geringer Rechenzeit, wodurch Anpassungen nahezu in Echtzeit möglich sind. Dies ist insbesondere für operative Entscheidungsprozesse relevant, bei denen kurzfristige Reaktionen erforderlich sind, etwa bei der Terminierung neuer Aufträge oder bei unerwarteten Abweichungen im Produktionsablauf.

    Durch die konsequente Verwendung heuristischer Verfahren in Kombination mit gezielter Optimierung bleibt das System auch bei häufigen Planänderungen stabil und performant. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass Planungsergebnisse nicht nur rechnerisch konsistent, sondern auch im operativen Alltag nutzbar bleiben.

Ergebnis und Mehrwert

Ein Automatisierungskonzept zur Reduktion manueller Planung und zur Erhöhung der Planqualität und Termintreue

Die Leistungsfähigkeit des entwickelten Planungssystems wurde im Rahmen simulationsbasierter Experimente systematisch untersucht. Als Vergleichsbasis diente ein hypothetisches Referenzszenario, das KMU-typische, bewusst vereinfachte Planungspraktiken abbildet und sich ausschliesslich in der angewandten Planungs- und Steuerungslogik vom entwickelten Konzept unterscheidet.

Unter identischer Auftrags- und Ressourcenbasis sowie identischer Produktionskonstellation zeigen die Ergebnisse deutlich, welchen operativen und strukturellen Mehrwert das entwickelte Planungssystem bietet.

    • Jede erzeugte Auftragsplanung ist von Beginn an personell umsetzbar

    • Keine nachträglichen Korrekturen oder Konflikte zwischen Auftrags- und Personaleinsatzplanung

    • Vermeidung nicht lösbarer Planungssituationen bereits bei der Planungserzeugung

    Mehrwert – Hohe Planstabilität und operative Verlässlichkeit ohne manuelle Eingriffe.

    • Verbindliche Personaleinsatzplanung über einen definierten Planungshorizont

    • Gleichzeitige Abbildung zukünftiger Auftrags- und Personalsituationen

    • Klare Trennung zwischen planungsrelevanter Verbindlichkeit und flexibler Anpassung

    Mehrwert – Planung wird für Mitarbeitende verlässlich und bleibt für das Unternehmen anpassungsfähig.

    • Neue Aufträge werden im Kontext der bestehenden Auftrags- und Kapazitätssituation bewertet

    • Liefertermine basieren auf simulationsbasierter Durchplanung statt auf statischen Annahmen

    • Keine Gefährdung bestehender Aufträge oder operativer Zusagen

    Mehrwert – Fundierte Angebots- und Priorisierungsentscheidungen ohne unrealistische Terminversprechen.

    • Nahezu Echtzeit-Aktualisierung bei neuen Aufträgen oder Planabweichungen

    • Einheitlicher Planungsmechanismus für alle Änderungen

    • Stabile Planung auch bei häufigen Anpassungen

    Mehrwert – Das Planungssystem bleibt auch unter operativem Druck nutzbar und performant.

  • Im Vergleich zum hypothetischen Referenzszenario, bei identischer Auftrags-, Ressourcen- und Produktionsstruktur, konnten folgende Effekte beobachtet werden:

    • Deutlich höhere Termintreue

    • Signifikante Reduktion von Durchlaufzeit und Ware in Arbeit bei konstantem Durchsatz

    • Verbesserte durchschnittliche Mitarbeiterauslastung

    • Statistisch signifikante Effekte in simulationsbasierten Experimenten

    Mehrwert – Messbare Verbesserungen zentraler Produktionskennzahlen unter identischen Rahmenbedingungen.

Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Kombination aus konsistenter heuristischer Planung, gezielter Optimierung und simulationsbasierter Bewertung robuste und praxisnahe Planungslösungen entstehen können.

Das entwickelte Konzept ist insbesondere für KMU geeignet, in denen hohe Dynamik, variable Personalverfügbarkeit und operative Echtzeitanforderungen klassische Planungsansätze an ihre Grenzen bringen.

Das Projekt verdeutlicht, wie durch saubere Modellierung, geeignete Abstraktion und systematische Validierung konsistente und belastbare Entscheidungsgrundlagen entwickelt werden können, die auch unter realistischen betrieblichen Rahmenbedingungen anschlussfähig sind.