Stefan Helber
Operations Management Tutorial
Ein Anfänger-Lehrbuch zum Operations Management für alle, die auch gerne Formeln mögen.
Prof. Dr. Stefan Helber Leibniz Universität Hannover Institut für Produktionswirtschaft Königsworther Platz 1 30167 Hannover
[email protected]
Operations Management Tutorial (eBook-Version) ISBN 978-3-945951-20-0 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek: Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen
iv unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Das Werk enthält zur Verdeutlichung prinzipieller Problemstellungen Beispiele von zum Teil fiktionalem Charakter. Die dort beschriebenen Handlungen, Personen und Unternehmen sind erfunden. Ähnlichkeiten mit lebenden oder verstorbenen Personen sind rein zufällig und nicht beabsichtigt. Verlag: Stefan Helber, Theodor-Fliedner-Weg 3, 31141 Hildesheim E-Mail:
[email protected] URL: www.operations-management-online.de c
2015 Stefan Helber
Vorwort
Dieses Buch entstand als Unterrichtsmaterial für meine Anfänger-Vorlesung „Operations Management“ im Umfang von zwei Semesterwochenstunden in den Bachelor-Studiengängen „Wirtschaftswissenschaft“ und „Wirtschaftsingenieur“ an der Leibniz Universität Hannover. Es ist geprägt durch eine knappe und quantitative Darstellung von Entscheidungsproblemen der betrieblichen Leistungserstellung. Als Tutorial enthält das Buch auch eine Vielzahl von Verständnisfragen und Übungsaufgaben, zum Teil mit Lösungen. Zu den einzelnen Abschnitten des Buches habe ich kleine Video-Clips produziert, in denen die jeweiligen Inhalte erläutert werden. Die Nummer des jeweiligen Videos ist jeweils mit einem Kamera-Symbol am Seitenrand angegeben. Diese Video-Clips finden Sie über meinen Youtube-Kanal. Die Clips werden von meiner studentischen Klientel sehr gerne genutzt und erleichtern das wichtige Selbststudium ganz erheblich. Die einzelnen Kapitel umfassen jeweils den Stoff für eine typische 90-minütige Vorlesung mit begleitender Übung. Sie können nach meiner Einschätzung in weitgehend beliebiger Reihenfolge und Zusammenstellung behandelt werden. Sie sollen in ihrer Unterschiedlichkeit die große inhaltliche Breite des Faches und die wichtige Rolle quantitativer Modelle verdeutlichen. Im Unterricht an der Leibniz Universität Hannover verwende ich das Buch nach dem Unterrichtsmodell des flipped/inverted classroom. Zunächst erarbeiten sich die Studenten die Materie durch die Lektüre des Lehrbuchs, eventuell unterstützt durch die Videos. Anschließend lösen sie wöchentlich einen Satz von Übungsaufgaben und besprechen diese bei Bedarf in Übungsgruppen. Auf dieser Basis dient dann die abschließende Vorlesung der Behandlung offen gebliebener Fragen und der Diskussion von Querverbindungen, Anwendungsmöglichkeiten und derlei mehr. Nach meinem Eindruck ist dies für alle Beteiligten ein außerordentlich lohnendes und motivierendes Unterrichtsmodell, das unterschiedlichen
vi Studiensituationen und -voraussetzungen differenziert gerecht werden kann und zu sehr erfreulichen Ergebnissen führt. In dem Buch behandele ich eine Vielzahl von Entscheidungsmodellen, die alle in Form von GAMS-Modellen implementiert wurden. Alle diese GAMS-Modelle sind im Anhang des Buches enthalten. Sie erlauben es, systematisch solche Probleme zu studieren, die sich einer Lösung durch Handrechnungen typischerweise verschließen. Diese GAMSModelle können Sie über www.operations-management-online.de herunterladen und zum Experimentieren verwenden. Ein großer Teil dieser Modelle kann bereits mit der kostenlos verfügbaren Demo-Version von GAMS gelöst werden. Die verschiedenen Beteiligten an meiner Vorlesung haben mir zahlreiche Hinweise auf Verbesserungsmöglichkeiten gegeben, ihnen allen sei dafür herzlich gedankt. Mein besonderer Dank gilt Katja Schimmelpfeng für eine große Zahl besonders kritischer und konstruktiver Kommentare. Für Hinweise auf Verbesserungsmöglichkeiten via
[email protected] bin ich sehr dankbar! Allen Lesern wünsche ich nun viel Freude bei den ersten Schritten in die weite Welt des Operations Managements.
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Hildesheim, im Februar 2015 Stefan Helber
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Inhaltsverzeichnis I 1
Gegenstand und elementare Gesetzmäßigkeiten des Operations Managements Gegenstand des Operations Managements
1.1 Management von Wertschöpfungsprozessen in Betrieben 1.2 Quantitative Modelle des Operations Managements . . . 1.2.1 Entscheidungsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Simulationsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1 2
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. 2 . 7 . 7 . 16 . 31
Prozessorientierte Betrachtung von Warte- und Bediensystemen . Bestimmungsgrößen und Berechnungsverfahren von Wartezeiten Bestände und Zeiten: Das Gesetz von Little . . . . . . . . . . . . . Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Prozessanalyse I: Zeiten und Bestände
2.1 2.2 2.3 2.4
34
34 40 54 61
Inhaltsverzeichnis 3
Prozessanalyse II: Auswirkungen von Organisationsentscheidungen
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
II 4
Warte- und Durchlaufzeiten bei mehreren Servern . . . . . Getrennte vs. gemeinsame Warteschlangen . . . . . . . . . Viele langsame vs. wenige schnelle Server . . . . . . . . . Mehrstufige Systeme und die Ausbreitung von Variabilität Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Prozessplanung
Problemaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Annahme von Aufträgen für komplexe Prozesse . . . . . Annahme von Buchungen über eine Kapazitätssteuerung Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65 66 71 81 91
97
Problemaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entscheidungsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Programmplanung: Konzentration auf profitable Produkte Aggregierte Planung: Lagerung vs. Überstunden . . . . . . Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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. 97 . 100 . 103 . 108 . 116
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. 120 . 124 . 137 . 154
Annahme von Aufträgen und Buchungen
5.1 5.2 5.3 5.4
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Produktionsprogramme und aggregierte Planung
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 5
ix
120
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Inhaltsverzeichnis 6
Bestandsmanagement I: Das Zeitungsjungenproblem
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 7
159
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. 159 . 161 . 172 . 180 . 188
Problemaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgangspunkt: Konstante Bedarfsraten . . . . . . . . . . . Ermittlung des Bestellpunktes bei gegebener Bestellmenge . Ermittlung des Bestellniveaus bei gegebenem Bestellabstand Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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. 203 . 211 . 218 . 226 . 231
203
Losgrößenplanung
8.1 8.2 8.3 8.4 9
Problemaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modellierung von Nachfrage, Fehlmenge und Restmenge Minimierung der erwarteten Kosten . . . . . . . . . . . . Verwendung von Servicegrad-Maßen . . . . . . . . . . . Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bestandsmanagement II: Mehrfache Beschaffungsvorgänge
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 8
x
Problemaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleichbleibender Bedarf und endliche Produktionsgeschwindigkeit Schwankender Bedarf und begrenzte Produktionskapazität . . . . . Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Planung und Steuerung von Abläufen
237
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. 237 . 241 . 247 . 261 274
9.1 Problemaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 9.2 Zeitdiskrete Entscheidungsmodelle der Ablaufplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 9.3 Prioritätsregeln zur Planung und Steuerung von Abläufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Inhaltsverzeichnis
xi
9.4 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 10 Planung von Transporten und Touren
10.1 10.2 10.3 10.4
297
Problemaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das klassische Transportproblem . . . . . . . . . . . . Das Tourenplanungsproblem und die Savings-Heuristik Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . .
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. 297 . 298 . 306 . 325
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. 328 . 329 . 339 . 344 . 351
Problemaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Personalbedarfsermittlung im Call Center . . . . . . . . . . . Deckung des Personalbedarfs im Rahmen der Schichtplanung Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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. 358 . 359 . 376 . 385
11 Projektplanung
11.1 11.2 11.3 11.4 11.5
Problemaspekte . . . . . . Struktur- und Zeitplanung Kapazitätsplanung . . . . Kostenplanung . . . . . . Aufgaben und Übungen .
328
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12 Personaleinsatzplanung
12.1 12.2 12.3 12.4
358
Inhaltsverzeichnis
III
xii
Strukturplanung
387
13 Standortplanung
13.1 13.2 13.3 13.4
Problemaspekte . . . . . . . . . . . Standortwahl und Transportkosten Standortwahl und Reaktionszeiten Aufgaben und Übungen . . . . . .
388
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. 388 . 391 . 406 . 414
Problemaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Problemstellung und Entscheidungsmodell zur Layoutplanung Linearisierung der Zielfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . Dekomposition des Optimierungsproblems . . . . . . . . . . . Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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. 417 . 421 . 438 . 440 . 446
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. 447 . 449 . 458 . 471
14 Layoutplanung
14.1 14.2 14.3 14.4 14.5
417
15 Arbeitsverteilung und Fließbandabstimmung
15.1 15.2 15.3 15.4
Problemaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arbeitsverteilung ohne Reihenfolgebeziehungen Arbeitsverteilung mit Reihenfolgebeziehungen . Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . .
447
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16 Organisation, Planung und Steuerung der Produktion
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16.1 Organisationstypen der Produktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476 16.2 Zentrale Produktionsplanung nach dem Push-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
Inhaltsverzeichnis
xiii
16.3 Dezentrale Produktionssteuerung nach dem Pull-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486 16.4 Aufgaben und Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
IV Anhang
497
A GAMS-Implementierungen
498
A.1 Auftragsannahme I (Rucksackproblem) . . . . . . . . . . A.2 Programmplanung und aggregierte Planung . . . . . . . A.2.1 Entscheidungsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . A.2.2 Include-Datei für die Programmplanung . . . . . A.2.3 Include-Datei für die aggregierte Planung . . . . A.3 Auftragsannahme II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.4 Dynamische Mehr-Produkt-Losgrößenplanung im CLSP . A.5 Ablaufplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.6 Transportplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.7 Tourenplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.8 Projektplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.9 Personaleinsatz und Schichtplanung . . . . . . . . . . . A.10 Standortplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.10.1 Transportkostenorientierte Standortplanung . . . A.10.2 Serviceorientierte Standortplanung . . . . . . . . A.11 Layoutplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.11.1 Modell-Datei und Fix-and-Optimize-Algorithmus
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. 499 . 501 . 501 . 504 . 506 . 508 . 510 . 513 . 521 . 524 . 527 . 535 . 538 . 538 . 542 . 545 . 545
Inhaltsverzeichnis
xiv
A.11.2 Include-Datei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553 A.12 Arbeitsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556 A.13 Fließbandabstimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558 B Herleitungen und Tabellenwerte
B.1 B.2 B.3 B.4
Tabellenwerte der Standardnormalverteilung . . . . . . . . . . Standardisierte Fehlmengenerwartungswerte . . . . . . . . . . Beziehungen zwischen Fehlmengenerwartungswerten . . . . . . Ermittlung des Kostenminimums beim Zeitungsjungenproblem
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. 562 . 569 . 576 . 579
C Der Schnullerator: Entstehungsgeschichte, Funktion und Bedeutung
582
Literatur
586
Teil I Gegenstand und elementare Gesetzmäßigkeiten des Operations Managements
