Application of multi-objective MaxSAT-solvers for optimizing highly configurable products

Abstract

Viele Unternehmen und Hersteller, insbesondere in der Automobilindustrie, streben nach dem Ziel, Massenindividualisierung bei gleichzeitiger Beschleunigung der Produktiterationen zu ermöglichen. Zum Bewältigen dieser Herausforderungen haben sich Produktplattformen und intelligente modulare Ansätze mit dem Ziel etabliert, dem Kunden/der Kundin eine größere Auswahl zu bieten und gleichzeitig die Komplexität in der gesamten Wertschöpfungskette minimal zu halten. Feature-basierte Dokumentation (FBD) wurde als De-facto-Standard eingeführt, um eben diese Komplexität zu bewältigen. FBD definiert Features (Merkmale), welche die Varianten eines Produkts beschreiben und ermöglicht basierend auf diesen Merkmalen, eine dynamische Zusammenstellung neuartiger Produktkonfiguration aus einer bestehenden Produktplattform (SuperBoM). Diese Arbeit präsentiert ein neuartiges Framework, um die Anwendung von MaxSAT-Solvern zur Optimierung hochgradig konfigurierbarer Produktplattformen zu ermöglichen. Verschiedene, oft widersprüchliche Optimierungsziele existieren im gesamten Produktlebenszyklus, die aufgrund der schieren Anzahl an möglichen Produktkonfigurationen oft schwer zu quantifizieren sind. Ein Beispiel ist die geführte Konfiguration, die darauf abzielt, den Kunden zu einem Produkt hinzuführen, welches schneller lieferbar sowie günstiger zu produzieren ist oder einen reduzierten Verkaufspreis hat. Darüber hinaus gibt es in der Planungsphase viel Optimierungspotenzial wie die Reduzierung der technischen Lösungen bei der gleichzeitigen Erhöhung des Market-Fit, die Erstellung besserer und abgesicherter Preismodelle, oder die Reduzierung des ökologischen Fußabdrucks bei der gleichzeitigen Verbesserung des Deckungsbeitrags. Um diese Auswertungen zu ermöglichen, wird nach einer allgemeinen Einführung von FBD eine formale Definition gegeben, die gemeinsam mit einer ebenfalls vorgestellten und evaluierten Transformationspipeline zur Reduktion von FBD-Instanzen auf das Erfüllbarkeitsproblem fungiert. Im Kern der Arbeit werden verschiedene moderne MaxSAT-Solver vorgestellt, für die eine Zusammenfassung sowie ein Vergleich der Lösungsansätze gegeben werden. Mit dem Ziel die praktische Effektivität von MaxSAT in diesem Bereich zu evaluieren, dient die Produktplattform der Tamiya TT-RC-Car-Serie als Grundlage für unterschiedliche Experimente. Es werden mögliche Zielkonflikte untersucht, um die resultierenden Kompromisse anhand von Pareto-Fronten zu beschreiben und zu analysieren. Die Experimente werden qualitativ bewertet und ihre mögliche Praktikabilität und Auswirkungen für reale Anwendungsfälle werden diskutiert.

Companies strive to achieve mass customization while accelerating product iterations in the modern manufacturing landscape, particularly in the automotive industry. They utilize product platforms and intelligent modular design techniques to tackle this challenge with the aim of delivering a broader range of choices to the customer while reducing the complexities throughout the company - from engineering, logistics and manufacturing to sales. Feature-based Documentation (FBD) has been introduced as a de-facto-standard to deal with the complexity of having highly configurable products. FBD introduces features that describe the variations of a product. Based on these features, conditions allow for the dynamic composition of novel product configurations based on an existing product platform (SuperBoM).This thesis will present a novel framework for applying MaxSAT-Solvers to optimize highly configurable product platforms. Many inherent and often conflicting objectives exist throughout the product lifecycle that are hard to quantify due to the sheer volume of possible configurations. An example is guided configuration, intending to direct the customer to a product that is faster to deliver, cheaper to produce or has a reduced sales price. Furthermore, in the planning phase, product optimizations include reducing technical solutions while increasing market fit, creating better pricing models, or reducing the environmental footprint while improving the contribution margin.To facilitate the research, a general introduction to FBD and a formal definition that serves as the foundation for the consequent steps are presented along a transformation pipeline that reduces FBD instances to the satisfiability problem. To approach the core of the thesis, several modern MaxSAT-Solvers will be presented, giving a summary and comparing how the different solvers approach the problem. With the aim of evaluating the effectiveness of MaxSAT in this domain, the product platform of the Tamiya TT RC-Car-Series will serve as a baseline for various experiments. Several exemplary conflicting objectives are explored and the resulting trade-offs are visualized using Parteo-Fronts. The experiments will be evaluated qualitatively, and their possible impact and practicability will be discussed.