Schichtplanung

Schichtplanung optimieren

Der Bedarf schwankt über den Tag: morgens und abends viele Leute, mittags weniger, nachts nur eine Grundbesetzung. Die Aufgabe der Schichtplanung ist, den Bedarf in jeder Stunde zu decken, mit möglichst wenigen und möglichst günstigen Schichten. Zu wenig Personal kostet Servicequalität, zu viel kostet Geld. In der Fachsprache heißt das Shift Scheduling; kommen freie Tage, Qualifikationen und Servicegrad-Ziele dazu, wird daraus die Personaleinsatzplanung.

Das Thema begleitet mich seit meiner Abschlussarbeit im Bachelor, die sich mit Schichtenplanung beschäftigt hat (siehe Über mich). Diese Seite zeigt den Weg vom Bedarf zum Plan an drei Demos: den Tagesplan samt Wochenmuster, den Servicegrad über den Tag und die Frage, wen man anlernt. Alle Modelle sind bewusst einfach, die Beispielwerte erfunden: Die Zahlen zeigen, wie groß ein Effekt in diesem Modell ist und wovon er abhängt, nicht, was er in Ihrem Betrieb bringt.

Die Schichtplanung hängt an Nachbarn: Der Bedarf folgt in der Praxis aus einem Servicegrad-Ziel (Warteschlangentheorie und Simulation), und Dienstfolgen mit Regelwerk sind im Crew Pairing der Seite Schienenverkehr optimieren ausgearbeitet; welche Linien im Personenverkehr überhaupt fahren, ist die Frage der Seite ÖPNV und Fernverkehr optimieren.

Hinweis: Alle Demos rechnen mit synthetischen oder frei verfügbaren Beispieldaten und laufen auf einem externen Anbieter (Datenschutz). Bitte geben Sie darin keine vertraulichen oder personenbezogenen Daten ein. Die Ergebnisse gelten für die jeweilige Demo-Instanz und lassen sich nicht ungeprüft auf reale Fälle übertragen; für darauf gestützte Entscheidungen übernehme ich keine Gewähr.

Zuletzt aktualisiert:

Verständlich erklärt

Zum Nachlesen: erst einfach, dann fachlich

KREUZSCHULUNG

Kreuzschulung verständlich erklärt

Warum bei gleicher Zahl Zusatzqualifikationen die Anordnung entscheidet und wann auch der Ring nicht reicht: erst für Einsteiger ohne Formeln, dann für Fachleute mit Modell, Formeln und Messwerten.

SCHICHTPLANUNG

Schichtplanung verständlich erklärt

Wann der günstigste Schichtplan leicht zu finden ist, wann echte Optimierung nötig ist und was freie Tage in der Woche kosten: erst für Einsteiger ohne Formeln, dann für Fachleute mit Modell, Formeln und Messwerten.

Prozesskette

Der Weg vom Bedarf zum Dienstplan

Am Anfang steht der Bedarf: Wie viele Personen müssen in jeder Stunde da sein, damit ein Ziel gehalten wird, etwa 80 % der Anrufe innerhalb von 20 Sekunden? Daraus entstehen die Schichten, die diesen Stundenbedarf zu möglichst geringen Kosten decken. Die Woche fragt, wann Personen frei haben, ohne dass der Bedarf unterschritten wird. Die Qualifikation entscheidet, wer welche Aufgabe übernehmen kann, wenn der Bedarf schwankt. Der Dienstplan ordnet am Ende Personen den Schichten zu und hält Regeln wie Ruhezeiten ein.

Seitlich verschieben oder die Gesamtansicht wählen.
BEDARF SCHICHTEN WOCHE QUALIFIKATION DIENSTPLAN Wie viele müssen da sein? Servicegrad über den Tag Wurzelregel (Warteschlangen-Linie) Welche Schichten decken ihn? Schichtplanung (Tagesplan) Wann haben Personen frei? Schichtplanung (Wochenabschnitt) Wer kann was? Kreuzschulung Wer arbeitet wann? Crew Pairing (Schienenverkehr-Linie)

Kräftig grüner Rahmen = eigene Demo dieser Seite · grauer Rahmen = Station einer anderen Linie.

Tagesplan und Wochenabschnitt sind dieselbe Demo. Die Wurzelregel und Crew Pairing gehören zu den Linien Warteschlangen und Schienenverkehr; sie stehen hier, weil die Schichtplanung an ihnen hängt.

Das Problem

Vom Stundenbedarf zum Schichtplan

Gegeben ist ein Personalbedarf je Stunde und eine Auswahl möglicher Schichten, etwa Früh-, Spät- oder Teilzeitschichten unterschiedlicher Länge. Gesucht ist, wie viele Schichten jeder Art zu welchen Startzeiten eingesetzt werden, sodass der Bedarf nirgends unterschritten wird und die Gesamtkosten minimal sind. Eine Schicht deckt dabei immer einen zusammenhängenden Zeitraum ab, und genau diese Eigenschaft entscheidet, wie schwer das Problem ist.

Ein nützlicher Sonderfall

Wann die einfache Rechnung schon exakt ist

GUTMÜTIG

Zusammenhängende Schichten

Deckt jede Schicht ein durchgehendes Zeitintervall ab, hat das Problem eine besondere mathematische Struktur (totale Unimodularität). Die Lösung der einfacheren, nicht ganzzahligen Aufgabe kommt dann von selbst ganzzahlig heraus und ist damit schon die exakte, beweisbar optimale Antwort. Ein Verfahren ohne aufwendige Suche genügt.

SCHWIERIGER

Wenn die Struktur bricht

Schichten über Mitternacht in einem wiederkehrenden Plan, Fixkosten je Schichttyp oder zusätzliche Regeln stören die Struktur. Dann kann die einfache Lösung Bruchteile enthalten, und es braucht ein exaktes ganzzahliges Verfahren oder eine gute Heuristik.

ÜBERRASCHEND

Ganzzahlig auch ohne die Garantie

Bei Wochenmustern (fünf von sieben Tagen arbeiten, die freien Tage am Stück) ist die Matrix nicht total unimodular: Der LP-Wert ist bei ganzzahligem Bedarf oft nicht ganzzahlig. Trotzdem war die exakte Lösung in allen 3.600 gemessenen Wochen genau der aufgerundete LP-Wert. Die Garantie ist hinreichend, nicht notwendig.

Für die Praxis heißt das: Bevor aufwendig optimiert wird, lohnt sich der Blick auf die Struktur: Manchmal ist die Lösung einfacher zu haben, als es scheint, und manchmal braucht es mehr, als eine Faustregel hergibt.

Drei Fragen

Woche, Servicegrad und Qualifikation stellen verschiedene Fragen

WOCHE

Was kosten freie Tage?

Jede Person arbeitet an fünf von sieben Tagen. Zwei freie Tage am Stück statt beliebiger kosten im Mittel 1,1 % mehr Personen. Wechseln sich hoher und niedriger Bedarf Tag für Tag ab, sind es in einem Beispiel (mittlerer Bedarf 25, Streuung 70) 34,2 % mehr: 51 statt 38 Personen. Ein freies Wochenende alle zwei Wochen kostet im Mittel 47,0 %: Wer ein Wochenende frei hat, arbeitet es nur in einer von zwei Wochen. Ausprobieren: Schichtplanung.

SERVICEGRAD

Wann hält das Tagesziel?

Ein Kontaktcenter will 80 % der Anrufe in 20 Sekunden annehmen. Rechnet es das Tagesziel in jeder Stunde einzeln, liefert es im Mittel 88,6 % und bezahlt die Übererfüllung mit 7,8 % der Kosten. Die scheinbar 13,0 % billigere gemeinsame Planung gibt im Mittel 5,8 von 24 Stunden auf und hält das Ziel mit Rückstau nur in 10 % der Fälle. Ausprobieren: Servicegrad über den Tag.

QUALIFIKATION

Wen lernt man an?

In einem Lager mit zufälligem Bedarf je Zone holt ein Ring aus Zusatzqualifikationen bei sechs Zonen praktisch den ganzen Nutzen voller Flexibilität (Servicegrad von 91,1 auf 96,4 %). Dieselben sechs Qualifikationen als Paare bringen 49,9 %, zufällig verteilt 51,4 %. Liegt der Bedarf in zwölf Zonen in Blöcken schief, holt der Ring nur 37,3 %; erst drei Zusatzstationen je Gruppe bringen 97,9 %. Ausprobieren: Kreuzschulung.

Alle drei Demos rechnen mit erfundenen Parametern in stilisierten Modellen; die Prozentzahlen gelten für diese Modelle und wurden über 3.600 Zufallswochen, 5.400 Instanzen bzw. 20.000 Szenarien je Zelle ermittelt. Das Ergebnis der Kreuzschulung ist Lehrbuchwissen (lange Ketten statt Paare): Die Demo vermisst es an erfundenen Beispielen, sie entdeckt es nicht.

Kerngedanke

Der Durchschnitt verdeckt, worauf es ankommt

In allen drei Fällen sieht eine einfache Kennzahl gut aus und führt in die Irre. Beim Servicegrad ist es der Tagesmittelwert: Er lässt sich erreichen, indem man kleine Stunden aufgibt, und er verschweigt, dass der Rückstau einer leeren Stunde die folgenden zerstört. Bei der Qualifikation ist es die Zahl der Zusatzqualifikationen: Bei gleicher Zahl entscheidet ihre Anordnung zwischen etwa der Hälfte und dem ganzen Nutzen. Bei der Woche ist es der Bedarf je Tag: Ob zwei freie Tage am Stück etwas kosten, hängt daran, wie sich hoher und niedriger Bedarf über die Woche abwechseln.

Für ein Projekt heißt das: Neben dem Plan braucht es die Gegenprobe, die dort ansetzt, wo die Kennzahl nicht trägt, also die Simulation mit Rückstau, die Fälle mit schief verteiltem Bedarf und die Wochenprofile mit abwechselndem Bedarf.

Nebenbedingungen

Was reale Schichtplanung ausmacht

N01 — BEDARF

Bedarf und Schichtlängen

Der Bedarf je Stunde bestimmt die Untergrenze. Welche Schichtlängen erlaubt sind (kurz, lang, gemischt), legt fest, wie eng sich der Plan an den Bedarf anschmiegen kann. Folgt der Bedarf aus einem Servicegrad-Ziel, kommt die Frage dazu, was ein Mittelwert über den Tag verschweigt.

N02 — KOSTEN

Stunden- und Fixkosten

Kosten je Stunde bevorzugen kurze, passgenaue Schichten; Fixkosten je Schichttyp bevorzugen wenige verschiedene. Beides gegeneinander abzuwägen ist Teil der Optimierung.

N03 — ZUSATZREGELN

Pausen, Ruhezeiten, Wünsche

Pausenregeln, Ruhezeiten zwischen Früh- und Spätschicht und Mitarbeiterwünsche kommen im Projekt hinzu. Sie sind in den Demos nicht modelliert; der Preis einer Ruhezeit-Regel hängt an den Anteilen von Früh- und Spätschicht und ist ohne Betriebsdaten nicht seriös zu beziffern.

Anschlüsse

Wo die Schichtplanung an andere Themen anschließt

WARTESCHLANGEN

Vom Servicegrad zum Bedarf

Der Bedarf je Stunde ist in der Praxis keine Eingabe, sondern folgt aus einem Servicegrad-Ziel und der Ankunftsrate. Die Linie Warteschlangentheorie und Simulation rechnet das mit der Wurzelregel nach; die Demo Servicegrad über den Tag verbindet sie mit der Schichtüberdeckung. Ausprobieren: Wurzel-Personalregel.

SCHIENENVERKEHR

Dienstfolgen mit Regelwerk

Wird aus dem Schichtplan ein Dienstplan, kommen Lenk-, Ruhe- und Einsatzregeln dazu. Das Crew Pairing auf der Seite Schienenverkehr optimieren wählt regelkonforme Dienstfolgen aus einem Pool und zeigt, was jede Regel kostet: derselbe Gedanke wie der Preis der freien Tage im Wochenabschnitt. Ausprobieren: Crew Pairing.

UNSICHERHEIT

Wenn der Bedarf nicht feststeht

Fällt Personal aus oder weicht der Bedarf ab, ist ein Plan zu knapp, der nur den Mittelwert kennt. Wie sich Szenarien, Erwartungswert und Risiko gegeneinander abwägen lassen, zeigt die Linie Optimierung unter Unsicherheit; das Muster erst planen, dann nachbessern gilt auch für eine Reservebesetzung.

Gleiches Modell

Drei Fragen, die dieselbe Mathematik nutzen

DIENSTPLAN MIT FAIRNESS

Gleichmäßige Belastung

Wochenenden und Nachtschichten sollen gleichmäßig verteilt werden. Das ist dasselbe Modell wie das Crew Pairing (Dienstfolgen mit Regelwerk als Spalten) und wie der Preis der Fairness im Trassenkonflikt: Gesamtkosten gegen Gerechtigkeit. Ausprobieren: Crew Pairing und Trassenkonflikt.

ROTATION MIT RUHEZEIT

Wiederkehrende Muster

Rotationsmuster, die eine Mindestruhe zwischen zwei Schichten einhalten müssen, sind periodische Abstandsbedingungen modulo einer Periode, also dasselbe Modell wie der Taktfahrplan. Ausprobieren: Taktfahrplan.

AUSFALL UND RESERVE

Wie viel Reserve kauft welchen Servicegrad?

Ein Plan mit Reservepersonal ist ein zweistufiges Modell mit Rückgriff: erst Besetzung festlegen, dann nach dem Ausfall nachbessern. Dasselbe Muster trägt die Mengenentscheidung im Newsvendor-Modell. Ausprobieren: Wert der Information (EVPI und VSS).

Verfahren und Erfahrungen der genannten Demos sind für einen konkreten Fall der Ausgangspunkt. Die Ergebnisse sind es nicht: Regeln, Kosten und Bedarfsmuster entscheiden, wie groß der Effekt in Ihrem Betrieb ist.

Vorgehen

Wie ich Schichtplanung angehe

SCHRITT 1

Bedarf, Ziel und Regeln erfassen

Wie sieht der Bedarf aus, welches Ziel gilt (Mindestbesetzung oder Servicegrad), welche Schichten, freien Tage und Qualifikationen gibt es, was kostet was, und welche Regeln sind zwingend?

SCHRITT 2

Struktur prüfen, Verfahren wählen

Ist das Problem gutmütig, genügt ein schnelles exaktes Verfahren. Wenn nicht, kommen ganzzahlige Optimierung oder Heuristiken zum Einsatz, und bei zufälligem Bedarf eine Simulation, die den Plan prüft.

SCHRITT 3

Vergleich und Gegenprobe

Der Plan wird mit einer einfachen Faustregel und mit einem Referenzlöser verglichen, damit sichtbar ist, was die Optimierung tatsächlich bringt. Ein Plan, der im Durchschnitt stimmt, kann in einzelnen Stunden oder Tagen scheitern.

Umgesetzt in Scala oder Python, auf Wunsch als eigener Webservice mit API für Ihre Systeme (mehr unter Leistungen).

Abhängigkeiten

Wie die Stücke zusammenhängen

Der Wochenabschnitt, der Servicegrad über den Tag und die Kreuzschulung heben je eine Annahme des Tagesplans auf: Der Tagesplan kennt nur einen Tag, bekommt den Bedarf geschenkt und hat keine Qualifikationen. Die Wurzelregel liefert dem Servicegrad das Rechenverfahren für den Bedarf, Crew Pairing zeigt dem Wochenabschnitt, was Regeln kosten. Der Dienstplan mit Fairness ist ein Anwendungsfall ohne eigene Demo und teilt das Modell von Crew Pairing.

Kräftig grüner Rahmen = eigene Demo dieser Seite · grauer Rahmen = Station einer anderen Linie · gestrichelt gold = Anwendungsfall ohne eigene Demo.

Tagesplan und Wochenabschnitt liegen in derselben Demo und stehen hier getrennt, weil sie verschiedene Fragen beantworten.

Selbst ausprobieren

Drei Demos zur Schichtplanung

Alle Demos laufen als eigenständige Anwendungen: Sie legen Bedarf, Ziel und Verbindungen selbst fest und sehen, wo die einfache Rechnung trägt und wo nicht.

SHIFT SCHEDULING

Schichtplanung

Legen Sie einen stündlichen Personalbedarf fest, mit mehreren wählbaren Schichtlängen. Die Anwendung vergleicht eine schnelle Faustregel mit der exakt optimalen Lösung (Google OR-Tools) und zeigt, dass die aufwendige Optimierung bei manchen Verläufen unnötig ist, weil schon die LP-Relaxierung exakt ist. Ein Wochenabschnitt zeigt über 3.600 Zufallswochen: zwei freie Tage am Stück kosten im Mittel 1,1 % mehr Personen, ein freies Wochenende alle zwei Wochen 47,0 %.

Verständlich erklärt: erst für Einsteiger, dann für Fachleute

Demo starten →
STAFFING + SCHEDULING

Servicegrad über den Tag

Verfolgen Sie, was es kostet, ein Tagesziel (80 % der Anrufe in 20 Sekunden) in jeder Stunde einzeln zu rechnen: Im Mittel liefert der Plan 88,6 % und bezahlt die Übererfüllung mit 7,8 % der Kosten. Die scheinbar günstigere gemeinsame Planung gibt kleine Stunden auf und hält das Ziel in der Simulation mit Rückstau nur in 10 % der Fälle (erfundene Last, Basisfall der Messreihe).

Demo starten →
FLEXIBILITÄTSDESIGN

Kreuzschulung: wen anlernen?

Sehen Sie, wie ein Lager mit zufälligem Bedarf je Zone von Zusatzqualifikationen profitiert: Wer jeder Gruppe eine zweite Zone beibringt und die Zonen zum Ring schließt, holt bei sechs Zonen praktisch den ganzen Nutzen voller Flexibilität, dieselben sechs Qualifikationen als Paare nur 49,9 %. Liegt der Bedarf in zwölf Zonen in Blöcken schief, reicht der Ring mit 37,3 % nicht.

Verständlich erklärt: erst für Einsteiger, dann für Fachleute

Demo starten →
Häufige Fragen

Schichtplanung: kurze Antworten

Weitere Themen

Das könnte Sie auch interessieren

Tourenplanung optimieren

Nah- und Fernverkehr, Elektro-Lkw und der Anschluss an Netz, Hof und Lager: 7 Demos.

Netzwerkdesign optimieren

Warenflüsse und Linien gestalten: Der Fluss ist einfach, das Design ist schwer.

ÖPNV und Fernverkehr optimieren

Liniennetz, Rufbus, Tarif und Takt im Betrieb: 4 Demos.

Schienenverkehr optimieren

Vom Takt bis zur Zugbildung: 7 Demos, jede mit einem gemessenen Befund.

Packen und Zuschnitt optimieren

Container, Paletten und Rollen: weniger Leerraum und Verschnitt, mit mathematischen Untergrenzen.

Lagerlogistik optimieren

Kommissionierung, Tor-Zuordnung, Umschlagpunkte und Wellenfreigabe als Gesamtsystem: 4 Demos.

Hof- und Yard-Management optimieren

Fahraufträge für Wechselbrücken und Ankunftstermine: Fristen halten, Leerfahrten sparen.

Hafenlogistik optimieren

Die ganze Prozesskette vom Kai bis zum Gate: 11 Demos, jede mit einem gemessenen Befund.

Seefracht optimieren

Die Prozesskette einer Reise vom Buchen bis zur Leercontainer-Rückführung: 7 Demos, jede mit einem gemessenen Befund.

Clusteranalyse

Punkte ohne Vorgaben gruppieren: welches Verfahren zu Ihren Daten passt, von k-Means bis HDBSCAN.

Anomalie-Erkennung

Was aus dem Rahmen fällt, ohne dass vorher jemand sagt, wie es aussieht: neun Verfahren von der robusten Ellipse bis zum Autoencoder.

Bestandsmanagement optimieren

Nachschub, Lieferkette, Losgrößen und Sicherheitsbestand: 2 Demos, dazu vorab gerechnete Anwendungsfälle.

Luftfracht optimieren

ULD-Beladung, Beladeplan, Gefahrgut-Trennung und Buchungsannahme: 4 Demos, jede mit einem gemessenen Befund.

Nächster Schritt

Ihr Bedarf, Ihre Regeln?

Schildern Sie mir kurz, wie Sie heute planen und was dabei nicht funktioniert. Ob sich eine Optimierung lohnt, lässt sich meist schon im kostenlosen Erstgespräch einschätzen.