Möglichst viele Bestellungen noch am Tag ihres Eingangs liefern und gleichzeitig Lagerflächen effizient nutzen: Für Unternehmen mit tausenden Artikeln ist das ein echter Spagat. Gemeinsam mit dem Mittelstand-Digital Zentrum Augsburg hat ein Hersteller für Optoelektronik untersucht, wie sich Nachfrageentwicklungen, Lieferzeiten und Bestellmengen mithilfe von Datenanalyse und KI besser vorhersagen und bestimmen lassen.

Zentrale Logistik für den europäischen Markt

Die Thorlabs GmbH entwickelt und produziert optische sowie photoakustische Geräte. Zum Sortiment zählen unter anderem Mess- und Laborgeräte sowie weitere Bestandteile für den Laboreinsatz. Die Produktionsstandorte in Europa sind jeweils auf unterschiedliche Komponenten spezialisiert. Rund 90 Prozent der mehr als 25.000 in Deutschland geführten Artikel stammen aus der unternehmenseigenen Produktion.

Im Distributionszentrum in Bergkirchen laufen die Produkte zusammen und werden für Kunden in Europa versendet. Rund 100 Mitarbeitende sorgen dafür, dass die benötigten Produkte zur richtigen Zeit verfügbar sind. Eine wichtige Rolle übernimmt dabei das Logistikteam um Jürgen Kotzer, Director European Logistics, und Mareike May, Logistics Planner. Zu ihren Aufgaben gehören die Bestandsplanung, die Berechnung von Sicherheitsbeständen und die Koordination von Bestellungen über verschiedene Standorte hinweg.

Hohe Lieferfähigkeit trifft auf begrenzte Lagerkapazitäten

Das Unternehmen verfolgt die Vision der Same Day Delivery: Bestellungen sollen noch am Tag ihres Eingangs geliefert werden. Bei zahlreichen Artikeln gelingt dies bereits, setzt jedoch ausreichende Sicherheitsbestände im zentralen Lager voraus. Daraus entsteht ein Zielkonflikt: Hohe Bestände verbessern die Lieferfähigkeit, binden aber Kapital und benötigen Lagerfläche.

Hinzu kommen saisonale Schwankungen beispielsweise wenn Schulen und Hochschulen ins neue Jahr starten und dort die Labore ausgestattet werden. Auch einzelne Projektgeschäfte erschweren die Planung. Bestellt ein Kunde einmalig eine sehr große Menge, kann dies die historischen Nachfragedaten erheblich beeinflussen: Wird eine solche Bestellung wie ein regelmäßig auftretender Bedarf behandelt, führt das möglicherweise zu überhöhten Beständen, aber wird sie hingegen nicht angemessen berücksichtigt, können bei vergleichbaren Bestellungen Artikel im Lager fehlen.

Das Unternehmen war daher auf der Suche nach einem Ansatz, der bestehende Daten besser nutzbar macht und Mitarbeitende bei Bestandsentscheidungen unterstützt.

Ausreißer erkennen und Lieferzeiten realistischer einschätzen

Gemeinsam mit dem Projektteam des Mittelstand-Digital Zentrums Augsburg rund um Dr. Ursula Neumann vom Fraunhofer IIS wurde ein Use Case ausgearbeitet, der für die Bestandsplanung eine belastbarere Datengrundlage schaffen soll. Im Mittelpunkt standen dabei zwei Fragestellungen: Wie lassen sich ungewöhnliche Bestellmengen automatisch erkennen? Und wie können zukünftige Bedarfe und Lieferzeiten zuverlässiger prognostiziert werden? Auf Unternehmensseite begleitete Tilman Voss als ERP-Spezialist das Projekt und verantwortete die Bereitstellung und Auswertung der Daten.

Das Projekt wurde insgesamt in zwei Arbeitspakete gegliedert. Im ersten Arbeitspaket wurden die Aufbereitung der Bestandsdaten, die Erkennung ungewöhnlicher Bestellmengen sowie Prognosen für zukünftige Bedarfe und Lieferzeitabweichungen fokussiert. Zunächst wurden historische Bestell-, Bestands- und Lieferdaten analysiert. Dabei verdeutlichte sich, dass außergewöhnlich große Bestellungen einen erheblichen Einfluss auf die Planung haben können. Daher wurde eine Anomaliedetektion durchgeführt: Mithilfe statistischer Verfahren wurden diese Ausreißer identifiziert und gemeinsam mit dem Unternehmen bewertet. So konnte nachvollziehbar festgelegt werden, welche Werte für zukünftige Analysen berücksichtigt werden sollen.

Anomaliedetektion

Die Anomaliedetektion bezeichnet Verfahren, mit denen ungewöhnliche Werte oder Muster in Daten erkannt werden. In der Bestandsplanung kann sie beispielsweise besonders große Einzelbestellungen identifizieren, die nicht dem üblichen Nachfrageverhalten entsprechen. Dadurch lässt sich vermeiden, dass einmalige Projektgeschäfte reguläre Bedarfsprognosen unverhältnismäßig stark beeinflussen. Für die Erkennung können feste statistische Regeln oder selbstlernende KI-Verfahren eingesetzt werden.

Ein weiterer Schwerpunkt des ersten Arbeitspakets lag auf den Lieferzeiten. Dazu verglich das Projektteam die in den Stammdaten hinterlegten Lieferzeiten mit den tatsächlich eingetretenen Werten. Die Abweichungen wurden nach Merkmalen wie Monaten, Produktgruppen, internen Lieferanten und Versandarten ausgewertet. Auf diese Weise ließ sich herausfinden, unter welchen Bedingungen Lieferungen häufiger verspätet eintreffen.

Darauf aufbauend wurde ein mehrstufiges Prognoseverfahren konzipiert: Zunächst stellt ein Klassifikationsmodell fest, ob eine Bestellung voraussichtlich verspätet eintreffen wird. Ist dies der Fall, prognostiziert ein Regressionsmodell im zweiten Schritt, um wie viele Tage die festgelegte Lieferzeit voraussichtlich überschritten wird. Ein ergänzendes Regelsystem bewertet die Unsicherheit der Prognose und prüft, ob der vorhergesagte Wert aussagekräftig genug ist, um den statischen Vorgabewert zu ersetzen.

Klassifikation und Regression

Klassifikation und Regression sind Verfahren aus dem Maschinellen Lernen. Eine Klassifikation ordnet einen Fall einer bestimmten Kategorie zu. Im Projekt wurde damit vorhergesagt, ob eine Bestellung voraussichtlich pünktlich oder verspätet eintrifft. Eine Regression prognostiziert dagegen einen numerischen Wert, beispielsweise die Anzahl der Tage, um die eine Lieferung vom vorgesehenen Termin abweicht.

Bedarfe mehrere Wochen im Voraus prognostizieren

Neben den Lieferzeiten wurden auch zukünftige Bedarfe betrachtet. Dazu wurden elf verschiedene statistische, maschinelle und KI-basierte Prognosemodelle miteinander verglichen. Ziel war es herauszufinden, welche Methoden sich für verschiedene Nachfrageverläufe am besten eignen.

Dabei zeigte sich, dass Artikel sehr unterschiedliche Nachfrageprofile aufweisen können. Während einige Produkte regelmäßig und gut vorhersehbar nachgefragt werden, treten bei anderen längere Phasen ohne Nachfrage und anschließend starke Ausschläge auf. Entsprechend eignen sich nicht alle Prognoseverfahren gleichermaßen für jeden Artikel. Zusätzlich wurden Zeitreihen analysiert, um saisonale Muster von langfristigen Entwicklungen zu unterscheiden. Dadurch lässt sich beispielsweise feststellen, ob die Nachfrage eines Produkts dauerhaft wächst oder lediglich zu bestimmten Zeitpunkten im Jahr ansteigt.

Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde im zweiten Arbeitspaket untersucht, wie sich KI-basierte Bestellentscheidungen langfristig bewerten und durch mathematische Optimierung weiterentwickeln lassen. Dazu wurden Nachfrageprognosen, Bestandsinformationen und Lieferzeiten in Modellrechnungen zusammengeführt, um auf Basis dieser Informationen bestmögliche Bestellentscheidungen treffen zu können. Die Unsicherheiten in Nachfrage und Lieferzeiten erhöhen hier die Komplexität immens. Ein mathematisches Optimierungsmodell berücksichtigt neben den gesammelten Daten explizit die Unsicherheiten und macht auf deren Grundlage konkrete Bestellvorschläge, die den zentralen Zielkonflikt zwischen Warenverfügbarkeit und Kosten gegeneinander abwägen. Kenngrößen wie das Servicelevel spielen dabei eine essenzielle Rolle. Über einen historischen Zeitraum wurden die KI-basierten Bestellvorschläge simuliert und mit den historischen Bestellungen verglichen. Die Berechnungen zeigten, dass sich bestehende Verfahren zur Bestandsplanung sinnvoll durch Prognosen, eine automatisierte Anomaliedetektion und realistischere Lieferzeitwerte ergänzen lassen. Darüber hinaus können auf Basis dieser Informationen durch ein mathematisches Optimierungsmodell automatisiert konkrete Bestellmengen und -zeitpunkte abgeleitet werden.

Datengrundlage für die Weiterentwicklung der Bestandsplanung

Diese umfangreiche Datengrundlage mit Analysen, Prognosen und Handlungsempfehlungen lässt sich nun für die weitere Optimierung der Bestandsplanung nutzen. Die Ergebnisse helfen dabei, Nachfrageentwicklungen und Lieferzeiten besser einzuschätzen sowie ungewöhnliche Bestellungen frühzeitig zu erkennen.

„Das Projekt war ein voller Erfolg und hat uns wesentliche wichtige Erkenntnisse geliefert: Wir haben gelernt, dass durch den Einsatz unterschiedlicher mathematischer Modelle unsere doch sehr heterogene Produktlandschaft erfolgreich abgebildet werden kann. Dies können wir dann innerhalb eines einheitlichen Prozesses zusammenführen und abbilden und somit deutlich besser planen.“

Tilman Voss, ERP-Spezialist, Thorlabs

Perspektivisch können die entwickelten Ansätze schrittweise in bestehende Prozesse und Systeme (z. B. ERP-System) integriert und die Bestandsplanung dadurch zunehmend automatisiert werden. So konnte im Projekt verdeutlicht werden, dass durch die Kombination aus Datenanalyse, statistischen Verfahren und KI neue Möglichkeiten entstehen, um Lieferfähigkeit und Bestandsmanagement besser miteinander in Einklang zu bringen.

Sie möchten Ihre Lagerbestände verringern und trotzdem hohe Verfügbarkeiten erreichen? Diese Mehrzieloptimierung bedeutet bei vielen kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) hohe händische Aufwände. In diesem Beitrag erfahren Sie, welche Vorteile der Einsatz von KI-Methoden bei der teilautomatisierten Bestandsplanung im Großhandel bringt.

Die optimale Steuerung von Lagerbeständen ist aufgrund komplexer Einflussfaktoren eine zentrale Herausforderung der gesamten Supply-Chain. Der Großhandel spielt dabei eine zentrale Rolle, indem er als Zwischenhändler zwischen Herstellern und Endverbrauchern als Puffer agiert. Viele mittelständische Großhändler zeichnen sich hier durch ihre Flexibilität, spezialisiertes Fachwissen und Kundennähe aus. Sie tragen wesentlich zur wirtschaftlichen Stabilität und Innovationskraft bei.

Hohe Aufwände für exakte Planung

Für viele mittelständische Großhändler stellt das Bestandsmanagement einen der Grundpfeiler für deren Wettbewerbsfähigkeit dar. Es hat den Zweck, Ware und Materialien in der optimalen Menge zum richtigen Zeitpunkt zu bestellen und am richtigen Ort für den Bedarfsfall bereitzustellen. Durch die zeitliche und mengenmäßige Differenz von eingehenden und ausgehenden Materialflüssen eines Lagers erfüllt es eine Pufferfunktion. Die Entscheidung, welche Menge eines Artikels zu welchem Zeitpunkt (nach-)bestellt werden soll, hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab: Einkaufskonditionen und verfügbare Lagerkapazitäten müssen hier ebenso berücksichtigt werden, wie die prognostizierte Nachfrage und Wiederbeschaffungszeiten sowie gewünschte Warenverfügbarkeit (Servicelevel). Die zuverlässige und genaue Prognose der Nachfrage ist dabei noch eine Herausforderung für sich.

Die Aufwände zur Erstellung und Überprüfung der Prognosen sind bei einer wöchentlichen oder monatlichen Erstellung und einer fünf- bis sechsstelligen Artikelanzahl manuell nur mit hohem Personaleinsatz zu bewältigen. Immer wieder kommt es zu individuellen Schwankungen unter den Planungsmitarbeitenden, da persönliche Einschätzungen und Ziele bei der manuellen Planung starke Einflüsse haben können.

Zudem fällt es auch erfahrenem Fachpersonal schwer, die Schwankungen in den Bedarfen richtig einzuschätzen und alle Einflussfaktoren wie Einkaufskonditionen, angestrebte Kapitalbindung und Lagerkapazität einzubeziehen. Die Folge sind zu hohe Sicherheitsbestände und damit hohe Kosten: Neben Lagerraum-, Personalkosten sowie den Opportunitätskosten des gebundenen Kapitals (Working Capital) birgt ein hoher Sicherheitsbestand zusätzlich Risiken durch Wertveränderungen oder ausbleibende Nachfrage.

Systemische Unterstützung liefern dabei Enterprise-Resource-Planning (ERP)-Systeme und erweiterte Dashboards. Bei vielen mittelständischen Großhändlern kommen hier Eigenentwicklungen oder angepasste ERP-Systeme zum Einsatz, da die jeweiligen Anforderungen sehr spezifisch sind. Da die meisten ERP-Systeme oftmals eine einfache Punktprognose, also einen einzelnen Prognosewert, des zukünftigen Bedarfes pro Artikel ausgeben, werden Unsicherheiten in der Nachfrage sowie vorhandene zusätzliche Daten vernachlässigt.

KI-basierte Prognosemethoden

Neue KI-Ansätze können die Bestandsplanung im Großhandel erheblich verbessern. Durch den Einsatz von KI lassen sich große Datenmengen analysieren und präzise Vorhersagen treffen, die menschliche Fachkräfte allein nicht bewältigen könnten. Beispielsweise können sie saisonale Schwankungen, Promotionen und Produkthierarchien berücksichtigen und die Bestandsplanung dynamisch anpassen. Diese Technologien ermöglichen es, Trends und Muster im Kaufverhalten frühzeitig zu erkennen und die Lagerbestände entsprechend anzupassen.

Bisher kommen in den meisten Fällen simple Prognosemethoden zum Einsatz, wie exponentielle Glättung oder ARIMA (Autoregressive Integrated Moving Average). Diese setzen jedoch oft lineare Beziehungen voraus, während elaboriertere KI-Methoden auch nichtlineare Muster erkennen können und besser mit einer größeren Anzahl von Merkmalen und Variablen umgehen können. In vielen Anwendungsfällen bieten einfache Methoden keine ausreichend hohe Genauigkeit, insbesondere bei komplexen Datensätzen. Außerdem gibt nicht ein einzelnes Modell die beste Prognose für alle betrachteten Artikel aus. Vielmehr muss für jeden Artikel bzw. für jeden Absatzkurven-Typ ein passendes Modell verwendet werden.

Prognosen sind immer mit einer gewissen Unsicherheit verbunden (engl. forecast uncertainty). In der Praxis kann nicht davon ausgegangen werden, dass eine Punktprognose genau zutrifft. Häufig wird ein zusätzlicher Sicherheitsbestand eingeplant, um Nachfragen, die über dem Prognosewert liegen, bedienen zu können. Die richtige Bestimmung dieses Sicherheitsbestands sollte dabei auf einer datengetriebenen Einschätzung der Prognoseunsicherheit und damit des Out-of-Stock-Risikos beruhen, was in der Praxis selten der Fall ist.

Auch um ein angestrebtes Servicelevel zu erreichen, ist eine korrekte Abschätzung der Prognoseunsicherheit unerlässlich. Neueste Prognosemethoden geben nicht nur ein, sondern hunderte Szenarien für die zukünftige Nachfrage aus. Anstatt nun z. B. einen Mittelwert all dieser möglichen Szenarien auszugeben und diesen als gegeben anzunehmen, kann die Streuung all dieser Szenarien als Prognoseunsicherheit interpretiert werden. Je nach Strategie kann sich nun gegen alle möglichen Zukunftsszenarien abgesichert oder ein bestimmtes Servicelevel erreicht werden, in dem z. B. 90 % aller Szenarien bedient werden sollen.

Kombination von Prognosen und mathematischer Optimierung

Die präzisen KI-basierten Prognosen allein können eine große Entscheidungsunterstützung bieten. Um allerdings ein höheres Automatisierungslevel und somit geringen manuellen Aufwand zu erreichen, nutzt man am besten die Kombination aus Prognosen und mathematischer Optimierung.

Dabei fließen die oben beschriebenen Prognosen in ein Optimierungsmodell ein, welches die optimalen Bestellmengen und -zeitpunkte für alle Artikel auf Basis der vorhandenen Daten bestimmt. Mathematisch optimal ist die Bestellstrategie dann, wenn die vordefinierte Zielsetzung bestmöglich erfüllt wird. Die Zieldefinition umfasst beispielsweise die Höchsteinkaufspreise oder Mindestverfügbarkeitsanforderungen. Um dieses Ziel vollumfänglich abzudecken, müssen eine Vielzahl an Faktoren und Daten berücksichtigt werden. Neben den Prognosen spielen für die Deckung der Nachfrage unter anderem ausstehende Bestellungen, Lagerbestände, Wiederbeschaffungszeiten sowie Sicherheitsbestände eine entscheidende Rolle. Die genauen Losgrößen werden im Wesentlichen durch die Einkaufsbedingungen, Lagerkapazitäten und die Kapitalbindungskosten bestimmt.

Durch die Erweiterung des Modells zu einem stochastischen Optimierungsmodell können auch Unsicherheiten in der Bedarfsprognose, also unterschiedliche Szenarien der zukünftigen Artikelnachfrage, berücksichtigt werden. Dadurch ist der ermittelte Bestellvorschlag nicht nur auf einen Einzelfall ausgerichtet, sondern zielt darauf ab, im Mittel über alle möglichen Realisierungen eine gute Entscheidung zu treffen und ist so gegenüber Unsicherheiten abgesichert.

Solche kombinierten Prognose-Optimierungsmodelle generieren automatisiert innerhalb weniger Sekunden einen Bestellvorschlag für die Disponent:innen, der die messbaren Praxisanforderungen optimal erfüllt. Das stellt eine erhebliche Unterstützung für den Arbeitsalltag in der Disposition und im Einkauf dar. In einer theoretischen Evaluation der KI-Bestellstrategie im Vergleich zur Bestellung nach Bedarf konnten durch die Automatisierung 20 % – 30 % der Arbeitszeit in der Disposition eingespart werden. Zeitgleich konnten die Einkaufskosten, welche durch die Aufwände bei der Disposition und vor allem beim Transport entstehen, um bis zu 3 % gesenkt werden. Außerdem ergab sich in den theoretischen Evaluationen ein einmaliges Einsparpotenzial von 10 % – 30 % der durchschnittlichen Bestandskosten je Artikel. Die hohe Varianz des Einsparungspotenzial liegts an den unterschiedlich fortschrittlichen Planungsprozessen in den untersuchten Großhändlern.

Einbettung von KI-Verfahren in eigene Systeme

In Echtzeitanwendungen wie der Bestandsplanung ist die Anbindung an das unternehmenseigene ERP-System sowie an zusätzliche Datenquellen unverzichtbar. Diese Integration lässt sich zum Beispiel effizient durch den Einsatz von Mikroservice-Architekturen realisieren. Die Software kann damit sowohl beim Großhändler lokal (on-premise) als auch in der Cloud gehostet werden. Durch die Kapselung (Containerisierung) können einzelne Services wie „Datenanbindung“ oder „KI-Modell-Training“ unkompliziert und individuell aktualisiert, modular ausgetauscht und hinsichtlich der Rechenleistung ressourcenschonend skaliert werden.

Für KMU ist es meist nicht möglich, eine eigene KI-Abteilung aufzubauen. Deshalb empfiehlt es sich hier mit Organisationen zusammenzuarbeiten, welche Expertise in KI und vor allem Machine Learning Operations (MLOps) vorweisen können. Durch MLOps lassen sich Wartung und Instandhaltung der KI-Anwendung automatisieren, z. B. durch ereignisgesteuertes Re-Training. Dadurch wird langfristig ein wichtiges Ziel erreicht: Den Betrieb solcher Lösungen in Zeiten des KI-Fachkräftemangels sicherzustellen.

Für die bessere Akzeptanz für die KI-Lösungen ist vor allem in der Einführungsphase eine teilautomatisierte Lösung zu empfehlen, bei der die Fachkräfte die KI-Vorschläge prüfen und freigeben. Teilautomatisierte KI-Lösungen beziehen sich auf Systeme, die einige Aufgaben oder Prozesse mithilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) automatisieren, während andere Aufgaben weiterhin menschliches Eingreifen erfordern. Diese Art von Lösungen kombiniert die Effizienz und Präzision von KI mit der Flexibilität und dem Urteilsvermögen menschlicher Expertise. Bei der Vielzahl an Artikeln im Großhandel kann ein KI-basiertes Bestandsplanungstool anzeigen, bei welchen Artikeln eine größere Unsicherheit herrscht und diese dem Fachpersonal explizit zur Prüfung vorlegen.

Fazit – Schritt für Schritt zum Einsatz

Der Einsatz von KI in der Bestandsplanung bietet KMU zahlreiche Vorteile. Er steigert die Effizienz durch Automatisierung und Optimierung von Prozessen, ermöglicht genauere Bedarfsprognosen und eine bessere Lagerverwaltung. Zudem erlaubt die KI die Auswertung großer Datenmengen in Echtzeit, was zu schnelleren und fundierteren Entscheidungen führt, und hilft, Risiken wie Bestandsengpässe und Überbestände zu minimieren. Ein weiterer Vorteil ist die Skalierbarkeit der KI-Systeme, die an veränderte Geschäftsanforderungen angepasst werden können, ohne signifikant zusätzliche Ressourcen zu benötigen.

Dennoch gibt es auch einige Nachteile. Die Implementierung von KI-Lösungen kann kostspielig sein, insbesondere in der Anfangsphase, und die Integration in bestehende Systeme gestaltet sich oft komplex und zeitaufwendig. Die Leistungsfähigkeit der KI hängt stark von der Qualität und Quantität der verfügbaren Daten ab und es kann schwierig sein, qualifizierte Fachkräfte zur Entwicklung und Wartung der Systeme zu finden. Zudem erfordern KI-Systeme regelmäßige Wartung und Aktualisierung, um ihre Effektivität zu bewahren.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz von KI in der Bestandsplanung für KMU sowohl erhebliche Vorteile als auch einige Herausforderungen mit sich bringt. Trotz dieser Herausforderungen überwiegen die Vorteile, insbesondere durch die langfristige Zeit- und Kosteneinsparung. Unternehmen sollten daher sorgfältig abwägen und gegebenenfalls schrittweise vorgehen, um die Potenziale der KI bestmöglich zu nutzen.