Die vorliegende kumulative Dissertation umfasst fünf Artikel, die in verschiedenen wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht wurden. Alle fünf Artikel befassen sich mit der Produktionsplanung in mehrstufigen Produktionssystemen. Aufgrund unterschiedlicher Schwerpunkte der Artikel ist die vorliegende Dissertation in zwei Teile unterteilt. Teil A umfasst die Artikel 1 bis 4 und beschäftigt sich mit der Berücksichtigung verschiedener energetischer Aspekte in der mehrstufigen Produktionsplanung. Teil B besteht aus Artikel 5 und untersucht den Einfluss von Lern- und Vergessenseffekten auf den Produktionsfluss in mehrstufigen Produktionssystemen. Abgesehen von den unterschiedlichen inhaltlichen Ausrichtungen unterscheiden sich die Artikel auch im Hinblick auf die verwendeten Methoden. In Artikel 1 wird ein systematischer Überblick über die Literatur zur energieeffizienten Produktionsplanung erstellt. Die verbleibenden vier Artikel entwickeln dagegen mathematische Modelle zur Entscheidungsunterstützung unter Berücksichtigung verschiedener Energieeffizienzmaßnahmen (Artikel 2 bis 4) sowie unter Berücksichtigung menschlicher Faktoren (Artikel 5). Die Artikel 2 bis 4 lösen die aufgestellten mathematischen Modelle analytisch. Artikel 5 setzt dagegen diskrete, ereignisorientierte Simulation ein, um effektive Produktionssteuerungspolitiken herzuleiten. Die folgenden Abschnitte fassen die fünf Artikel kurz zusammen.

Artikel 1 durchsucht die Literatur systematisch nach wissenschaftlichen Artikeln, die quantitative Modellierungsansätze zur Berücksichtigung energetischer Aspekte in der Produktionsplanung entwickeln. Die gefundenen Modelle werden anschließend nach kurz- und mittelfristigen Planungsmodellen klassifiziert und auf Basis der mathematischen Modellierung der berücksichtigten energetischen Aspekte verglichen. Aufbauend auf dieser Synthese werden zukünftige Forschungsrichtungen aufgezeigt, welche die Artikel 2 bis 4 aufgreifen.

Artikel 2 untersucht, wie die Energieeffizienz eines zweistufigen Produktionssystems durch die Einbindung der Rückgewinnung von Abwärme aus den Produktionsprozessen in die Produktionsplanung gesteigert werden kann. Die Abwärme wird mithilfe eines Organic Rankine Cycles verstromt und zur Unterstützung der Deckung des Energiebedarfs der Produktionsstufen verwendet. Zur Entwicklung eines ganzheitlichen Produktionsplanungsmodells wird zunächst der thermodynamische Prozess der Umwandlung der Abwärme in elektrische Energie mathematisch modelliert. Diese mathematische Modellierung wird im nächsten Schritt in ein zweistufiges Losgrößenmodell integriert. Anschließend wird ein Verfahren zur Lösung dieses integrierten Modells entwickelt, welches diejenigen Werte für die Losgröße, die Transportlosanzahl sowie die Produktionsraten der beiden Produktionsstufen berechnet, welche die Summe aus Produktions- und Energiekosten minimiert. In einer numerischen Studie wird untersucht, unter welchen Rahmenbedingungen das integrierte Produktionsplanungsmodell die Umsetzung von Energieeffizienzzielen fördert und inwiefern die Integration der Abwärmerückgewinnung die Produktionsplanungsentscheidungen beeinflusst.

Artikel 3 erweitert das Modell aus Artikel 2, indem zusätzlich zum Abwärmerückgewinnungssystem ein Energiespeicher betrachtet wird. Dadurch kann die aus der Abwärme rückgewonnene Energie bei Bedarf gespeichert werden, wodurch Energierückgewinnung und Nutzung der rückgewonnen Energie zeitlich entkoppelt werden. Zur Einbindung des Energiespeichers in das Produktionsplanungsmodell eines seriellen, mehrstufigen Produktionssystems werden zunächst die Lade- und Entladevorgänge des Energiespeichers mathematisch modelliert und in ein gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsmodell integriert. Dieses Optimierungsmodell berechnet, in welchen Perioden im Planungshorizont die Produktionsstufen produzieren sollen und wie der Energiespeicher betrieben werden soll, um die Summe aus Produktions- und Energiekosten zu minimieren. Abschließend wird in einer numerischen Studie die Leistungsfähigkeit des Optimierungsmodells unter Berücksichtigung zeitabhängiger Energiepreise untersucht.

Wie die Artikel 2 und 3 entwickelt auch Artikel 4 ein mathematisches Modell zur energieeffizienten Produktionsplanung. Im Unterschied zu den Artikeln 2 und 3 setzt Artikel 4 dabei jedoch nicht auf Unterstützung der Energieversorgung des Produktionssystems durch Abwärmerückgewinnung, sondern durch Windkraftanlagen. Eine große Herausforderung der Integration von Windenergie in die Produktionsplanung erwächst aus der Unsicherheit der Energiebereitstellung durch Windkraftanlagen infolge sich im Zeitablauf teilweise stark verändernder Windgeschwindigkeiten. Zur Abbildung der Variabilität der generierten Windenergie wird in Artikel 4 zunächst eine große Menge an Szenarien erzeugt, welche die in den jeweiligen Planungsperioden zur Verfügung stehende Windenergie beschreiben. Eine systematisch reduzierte Teilmenge dieser Szenarien dient im nächsten Schritt als Eingabeparameter für ein gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsmodell, welches vor Beginn des Planungszeitraums einen Maschinenbelegungs- und einen Energiebezugsplan für ein mehrstufiges Flow-Shop-System berechnet. Das Ziel des Optimierungsmodells besteht in der gleichzeitigen Minimierung der gewichteten Durchlaufzeit sowie der erwarteten Energiekosten. Der Energiebezugsplan, welcher festlegt, ob die vom Produktionssystem benötigte Energie von den Windkraftanlagen bezogen wird oder aus dem Stromnetz bezogen werden muss, wird anschließend sukzessive in jeder Planungsperiode angepasst, wenn die realen Windgeschwindigkeiten und damit die reale Energiebereitstellungskapazität der Windkraftanlagen feststehen. In einer numerischen Studie wird schließlich das integrierte Produktionsplanungsmodell unter unterschiedlichen Windbedingungen und zeitabhängigen Energiepreisen evaluiert.

In Teil B der Dissertation beschäftigt sich Artikel 5 ebenfalls mit der effizienten Steuerung mehrstufiger Produktionssysteme. Während sich die Artikel 1 bis 4 mit der effizienten Abstimmung von Produktionsentscheidungen auf die Bereitstellung von rückgewonnener Produktionsprozessabwärme und Windenergie fokussierten, stellt Artikel 5 die effiziente Abstimmung von Produktionsentscheidungen auf menschliche Faktoren wie Lernen und Vergessen ins Zentrum der Betrachtung. Zu diesem Zweck wird zunächst ein diskretes, ereignisorientiertes Simulationsmodel entwickelt, welches ein serielles, mehrstufiges Produktionssystem unter Berücksichtigung von Lernen und Vergessen der zuständigen Arbeiter beschreibt. In einer zweigeteilten Simulationsstudie werden im ersten Schritt Produktionsparameter identifiziert, welche die Systemleistung in signifikanter Weise beeinflussen. Darauf aufbauend werden flexible Puffermanagementregeln erarbeitet, mit deren Hilfe vorher identifizierte, negative Einflüsse bestimmter Produktionsparameter eingeschränkt werden sollen. Im zweiten Teil der Simulationsstudie wird die Leistungsfähigkeit der Puffermanagementregeln unter diversen Produktionsparameterszenarien systematisch überprüft.