The Digital Transformation of Logistics from a Human-Centred Perspective

Die vorliegende kumulative Dissertation befasst sich mit der digitalen Transformation in der Logistik unter besonderer Berücksichtigung der Auswirkungen des Transformationsprozesses auf die Beschäftigten in dieser Branche. Ziel der kumulativen Dissertation ist es, ein tiefergehendes Verständnis der Entwicklungen zu bekommen, die unter dem Begriff Logistik 4.0 verstanden werden können und zu untersuchen, welche Auswirkungen dies für die zukünftige Arbeit in der Logistik, insbesondere im Lager, haben wird. Die kumulative Dissertation besteht aus fünf Artikeln, die in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht bzw. eingereicht wurden und kann grob in drei Teile untergliedert werden: Im ersten Teil der kumulativen Dissertation, der aus dem ersten Artikel besteht, wird der inhaltliche Kern, Logistik 4.0, aufbauend auf dem Begriff und der Forschung zum Thema Industrie 4.0 definiert und auf breiter Basis der aktuelle Forschungsstand dargestellt. Dies bildet die inhaltliche und thematische Grundlage für die nachfolgenden Untersuchungen. Der zweite Teil der kumulativen Dissertation fokussiert auf empirische Grundlagen und einen methodischen Beitrag zur Untersuchung der Menschen-zentrierten Gestaltung der Logistik 4.0, indem zunächst die Auswirkungen der Entwicklung zur Logistik 4.0 auf die Beschäftigten in der Intralogistik, genauer auf ihre Arbeitsplatzmerkmale, untersucht werden. Dies dient dazu, die konkret wahrgenommenen Veränderungen zu erfassen, die Bedeutung des Transformationsprozesses zu verifizieren und den Einfluss seiner technischen Bestandteile auf die Veränderungen der Arbeitsplatzmerkmale zu analysieren. Wenngleich in diesem zweiten Artikel der kumulativen Dissertation deutliche Veränderungen der Arbeitsplatzmerkmale in der Logistik 4.0 aufgezeigt werden konnten, zeigte eine quantitative Analyse von Forschungsarbeiten im dritten Artikel dieser kumulativen Dissertation auf, dass die Forschung sich bei der Gestaltung von Industrie 4.0 auf technische Änderungen fokussiert. Daher wird abschließend im dritten Kapitel ein allgemein anwendbares, theoriebasiertes, systematisches Analysewerkzeug entwickelt, das es ermöglicht, die Auswirkungen der Einführung von Industrie 4.0 und Logistik 4.0 Elementen auf die involvierten Menschen zu untersuchen und die möglichen Folgen für das Gesamtsystem zu antizipieren. Im abschließenden dritten Teil dieser kumulativen Dissertation erfolgt ein genauerer Blick auf die Auswirkungen der Entwicklung zur Logistik 4.0 auf die Kommissionierung als einen zentralen, zumeist arbeitsintensiven Prozess in der logistischen Kette. In Artikel 4 wird daher zunächst das Feld einer Kommissionierung 4.0 strukturiert, um darauf aufbauend zu untersuchen, welche technischen und prozessualen Lösungen die Wissenschaft für eine gleichermaßen menschengerechte und ökonomische Kommissionierung unter den sich wandelnden Anforderungen betrachtet hat. Es zeigt sich, dass ein aus ökonomischer und sozialer Perspektive vielversprechendes Kommissioniersystem, die hybride Kommissionierung, bislang kaum untersucht wurde. Dies erfolgt daher im abschließenden fünften Artikel dieser kumulativen Dissertation, in dem ein Beispiel für ein kollaboratives, hybrides Kommissioniersystem untersucht wird, in dem Menschen und autonome Roboter gemeinsam im selben Lagerbereich Aufträge kommissionieren. Die Artikel greifen zur Untersuchung der Themenschwerpunkte auf verschiedene Methoden unterschiedlicher Disziplinen zurück und stützen sich auf ein breites theoretisches Fundament. Methodisch wird in Artikel 1, der die konzeptionelle Grundlage der Logistik 4.0 behandelt, zunächst ein konzeptioneller Ordnungsrahmen entwickelt, mit dem der Begriff und die Bestandteile des Konzepts Logistik 4.0 abgeleitet werden. Hierbei werden insbesondere zwei Einflussfaktoren berücksichtigt: Neue Anforderungen an die Logistik sowie neue technologische Möglichkeiten. Anschließend wird mittels eines systematischen Literaturüberblicks der aktuelle Stand der Forschung zu Logistik 4.0 strukturiert untersucht. Der Fokus liegt hierbei auf den technologischen Anwendungen in der Logistik und wie diese die Logistik verändern. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden der Ordnungsrahmen zu Logistik 4.0 detailliert und zukünftige Forschungsperspektiven herausgearbeitet – es wird gezeigt, dass die Auswirkungen der Transformation auf menschliche Faktoren nur in geringem Maße in der analysierten Literatur diskutiert wurden. Im methodischen Fokus von Artikel 2 der vorliegenden kumulativen Dissertation steht daher die Durchführung und Auswertung von teil-strukturierten Interviews, die mit Beschäftigten aus sieben Unternehmen geführt wurden, um die Ausprägungen und Zusammenhänge zwischen Arbeitsplatzmerkmalen und der Intralogistik 4.0-Reife zu untersuchen. Auf der Grundlage des Work Design Questionnaire wurden die Interviews in Bezug auf 21 Arbeitsplatzmerkmale mit 16 Angestellten in der Intralogistik geführt und zusätzlich die Intralogistik 4.0 Reife der Arbeitsplätze bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass Logistik 4.0 signifikanten Einfluss auf die Arbeitsplatzmerkmale hat und die Effekte sowohl positiv als auch negativ in Bezug auf Arbeitszufriedenheit und Motivation sein können. Im Wesentlichen ist die Art und Intensität des Einflusses in den zumeist manuellen Prozessen abhängig von der Art der genutzten Technologien, Automatisierung oder Digitalisierung. In Artikel 3 wird zunächst eine quantitative Inhaltsanalyse durchgeführt, in der die Themenschwerpunkte bisheriger Forschung zu Industrie 4.0 nachgewiesen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass zwar unterschiedliche Rollen von Menschen identifiziert werden, menschliche Faktoren im Vergleich zu technischen Faktoren jedoch eine deutlich untergeordnete Rolle in der Forschung erhalten. Anschließend wird auf Basis von fünf Theorie-Bausteinen ein methodisches Vorgehensmodell zur Analyse der Einflüsse von Industrie 4.0-induzierten Änderungen auf ein bestehendes Arbeitssystems abgeleitet. Anhand zweier Beispiele wird die Methodik veranschaulicht und die Praxistauglichkeit exemplarisch aufgezeigt. Artikel 4 und 5 fokussieren daraufhin den Kommissionierprozess im Zusammenhang mit Logistik 4.0 und untersuchen zunächst in Artikel 4 mittels eines konzeptionellen Ordnungsrahmens und eines systematischen Literaturüberblicks den aktuellen Stand der Forschung in diesem Bereich. Der Ordnungsrahmen unterscheidet nach substituierenden technischen Systemen im Kommissionierprozess und unterstützenden Technologien und stuft diese qualitativ basierend auf dem Grad der Automatisierung ab. Darauf aufbauend werden vier verschiedene Kommissioniersysteme klassifiziert und drei von ihnen in einem systematischen Literaturüberblick analysiert. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Unterrepräsentierung hybrider Kommissioniersysteme, obwohl diese aus einer soziotechnischen Perspektive vielversprechende Möglichkeiten bieten. Hierauf aufbauend wird in Artikel 5 ein hybrides Kommissioniersystem bestehend aus menschlichen Kommissionierern und Kommissionierrobotern, die innerhalb eines Arbeitsbereichs kommissionieren, abgeleitet, das aufbauend auf den ökonomischen und sozialen Zielen vielversprechend erscheint. In einer agentenbasierten Simulationsstudie – die besonders geeignet ist um das Verhalten eines Systems basierend auf den Interaktionen verschiedener Akteure aufgrund individueller Verhaltensregeln zu analysieren - werden die Interaktion der technischen und menschlichen Teilsysteme untersucht und der Einfluss von Routenstrategien genauer betrachtet. In einer kritischen Diskussion der Annahmen des idealisierten Systems der Simulationsstudie wird aufgezeigt, dass hybride Systeme vielversprechende Ergebnisse für reale Anwendungen darstellen und geeignet sind, sowohl die Systemeffizienz, als auch die Arbeit der menschlichen Kommissionierer zu verbessern

Hybrid order picking : A simulation model of a joint manual and autonomous order picking system

Order picking is a key process in supply chains and a determinant of business success in many industries. Order picking is still performed manually by human operators in most companies; however, there are also increasingly more technologies available to automate order picking processes or to support human order pickers. One concept that has not attracted much research attention so far is hybrid order picking where autonomous robots and human order pickers work together in warehouses within a shared workspace for a joint target. This study presents a simulation model that considers various system characteristics and parameters of hybrid order picking systems, such as picker blocking, to evaluate the performance of such systems. Our results show that hybrid order picking is generally capable of improving pure manual or automated order picking operations in terms of throughput and total costs. Based on the simulation results, promising future research potentials are discussed

Proceedings of the Conference on Production Systems and Logistics: CPSL 2022

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Background, Systematic Review, Challenges and Outlook

Publisher Copyright: © 2013 IEEE. This research is supported by the Digital Manufacturing and Design Training Network (DiManD) project funded by the European Union through the Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Networks (H2020-MSCA-ITN-2018) under grant agreement no. 814078The concept of smart manufacturing has attracted huge attention in the last years as an answer to the increasing complexity, heterogeneity, and dynamism of manufacturing ecosystems. This vision embraces the notion of autonomous and self-organized elements, capable of self-management and self-decision-making under a context-aware and intelligent infrastructure. While dealing with dynamic and uncertain environments, these solutions are also contributing to generating social impact and introducing sustainability into the industrial equation thanks to the development of task-specific resources that can be easily adapted, re-used, and shared. A lot of research under the context of self-organization in smart manufacturing has been produced in the last decade considering different methodologies and developed under different contexts. Most of these works are still in the conceptual or experimental stage and have been developed under different application scenarios. Thus, it is necessary to evaluate their design principles and potentiate their results. The objective of this paper is threefold. First, to introduce the main ideas behind self-organization in smart manufacturing. Then, through a systematic literature review, describe the current status in terms of technological and implementation details, mechanisms used, and some of the potential future research directions. Finally, the presentation of an outlook that summarizes the main results of this work and their interrelation to facilitate the development of self-organized manufacturing solutions. By providing a holistic overview of the field, we expect that this work can be used by academics and practitioners as a guide to generate awareness of possible requirements, industrial challenges, and opportunities that future self-organizing solutions can have towards a smart manufacturing transition.publishersversionpublishe

The concept of collaborative engineering: a systematic literature review

Collaborative engineering is not a new subject but it assumes a new importance in the Industry 4.0 (I4.0). There are other concepts frequently mismatched with collaboration. Thus, the main objective of this paper is to put forward a collaborative engineering concept, along its sub concepts, supported by an extensive systematic literature review. A critical analysis and discussion about the fundamental importance of learning, and the central human role in collaboration, in the I4.0, is presented, based on the main insights brought through the literature review. This study also enables to realize about the importance of collaboration in the current digitalization era, along with the importance of recent approaches and technology for enabling or promoting collaboration. Main current practices of human centered and autonomous machine-machine approaches and applications of collaboration in engineering, namely in manufacturing and management, are presented, along with main difficulties and further open research opportunities on collaboration.This work was supported by the Fundação para a Ciência e a Tecnologia [UIDB/00319/2020, UIDB/50014/2020, and EXPL/EME-SIS/1224/2021]

A New Concept of Digital Twin Supporting Optimization and Resilience of Factories of the Future

In the context of Industry 4.0, a growing use is being made of simulation-based decision-support tools commonly named Digital Twins. Digital Twins are replicas of the physical manufacturing assets, providing means for the monitoring and control of individual assets. Although extensive research on Digital Twins and their applications has been carried out, the majority of existing approaches are asset specific. Little consideration is made of human factors and interdependencies between different production assets are commonly ignored. In this paper, we address those limitations and propose innovations for cognitive modeling and co-simulation which may unleash novel uses of Digital Twins in Factories of the Future. We introduce a holistic Digital Twin approach, in which the factory is not represented by a set of separated Digital Twins but by a comprehensive modeling and simulation capacity embracing the full manufacturing process including external network dependencies. Furthermore, we introduce novel approaches for integrating models of human behavior and capacities for security testing with Digital Twins and show how the holistic Digital Twin can enable new services for the optimization and resilience of Factories of the Future. To illustrate this approach, we introduce a specific use-case implemented in field of Aerospace System Manufacturing.The present work was developed under the EUREKA–ITEA3 Project CyberFactory#1 (ITEA-17032), co-funded by Project CyberFactory#1PT (ANI|P2020 40124), from FEDER Funds through NORTE2020 program and from National Funds through FCT under the project UID/EEA/00760/2019 and by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF, Germany, funding No. 01IS18061C).info:eu-repo/semantics/publishedVersio

A framework for the implementation of drones in German automotive OEM logistics operations

Intralogistics operations in automotive OEMs increasingly confront problems of overcomplexity caused by a customer-centred production that requires customisation and, thus, high product variability, short-notice changes in orders and the handling of an overwhelming number of parts. To alleviate the pressure on intralogistics without sacrificing performance objectives, the speed and flexibility of logistical operations have to be increased. One approach to this is to utilise three-dimensional space through drone technology. This doctoral thesis aims at establishing a framework for implementing aerial drones in automotive OEM logistic operations. As of yet, there is no research on implementing drones in automotive OEM logistic operations. To contribute to filling this gap, this thesis develops a framework for Drone Implementation in Automotive Logistics Operations (DIALOOP) that allows for a close interaction between the strategic and the operative level and can lead automotive companies through a decision and selection process regarding drone technology. A preliminary version of the framework was developed on a theoretical basis and was then revised using qualitative-empirical data from semi-structured interviews with two groups of experts, i.e. drone experts and automotive experts. The drone expert interviews contributed a current overview of drone capabilities. The automotive experts interview were used to identify intralogistics operations in which drones can be implemented along with the performance measures that can be improved by drone usage. Furthermore, all interviews explored developments and changes with a foreseeable influence on drone implementation. The revised framework was then validated using participant validation interviews with automotive experts. The finalised framework defines a step-by-step process leading from strategic decisions and considerations over the identification of logistics processes suitable for drone implementation and the relevant performance measures to the choice of appropriate drone types based on a drone classification specifically developed in this thesis for an automotive context

Lean manual assembly 4.0: A systematic review

In a demand context of mass customization, shifting towards the mass personalization of products, assembly operations face the trade-off between highly productive automated systems and flexible manual operators. Novel digital technologies—conceptualized as Industry 4.0—suggest the possibility of simultaneously achieving superior productivity and flexibility. This article aims to address how Industry 4.0 technologies could improve the productivity, flexibility and quality of assembly operations. A systematic literature review was carried out, including 234 peer-reviewed articles from 2010–2020. As a result, the analysis was structured addressing four sets of research questions regarding (1) assembly for mass customization; (2) Industry 4.0 and performance evaluation; (3) Lean production as a starting point for smart factories, and (4) the implications of Industry 4.0 for people in assembly operations. It was found that mass customization brings great complexity that needs to be addressed at different levels from a holistic point of view; that Industry 4.0 offers powerful tools to achieve superior productivity and flexibility in assembly; that Lean is a great starting point for implementing such changes; and that people need to be considered central to Assembly 4.0. Developing methodologies for implementing Industry 4.0 to achieve specific business goals remains an open research topic

Supporting the design of automated guided vehicle systems in internal logistics

Applications of automated guided vehicle (AGV) systems are becoming increasingly widespread in internal logistics for performing transports automatically. Recent technological advancements in navigation and intelligence have improved the functionality of vehicles and together with attention to Industry 4.0 have created further interest in AGV systems in industry and academia. Research on AGV systems has mainly focused on technical aspects, but to support AGV system design and, thereby, be able to achieve the full potential from use of AGV systems in internal logistics, more knowledge is needed that takes further into consideration aspects related to humans and the organisation, alongside the technical aspects. The purpose of this thesis is to develop knowledge to support the design of AGV systems and three research questions are formulated. The thesis is based on three papers, two of which are based on multiple case studies and one study based on simulation modelling. The thesis results provide input to the design process for AGV systems in three main ways. First, in developing an understanding for which requirements influence an AGV systems and how the requirements can be met in the AGV system configuration. Second, regarding how the load capacity of AGVs impact the performance of the AGV system, and third by identifying challenges with respect to the work organisation and related to human factors when AGV systems are introduced in internal logistics settings