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The Digital Transformation of Logistics from a Human-Centred Perspective

Winkelhaus, Sven (2022):
The Digital Transformation of Logistics from a Human-Centred Perspective. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019895,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: The Digital Transformation of Logistics from a Human-Centred Perspective
Language: English
Abstract:

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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

This cumulative dissertation deals with the digital transformation in logistics focusing on the effects of the transformation process on the employees in this industry. The aim of this cumulative dissertation is to gain a deeper understanding of the developments that can be understood by the term Logistics 4.0 and to examine what impact this will have on future work in logistics, especially in warehouses. The cumulative dissertation consists of five articles published in or submitted to scientific journals and can be roughly divided into three parts: In the first part of the cumulative dissertation, which consists of the first article, the core concept, Logistics 4.0, is defined based on the term and research on the topic of Industry 4.0 and the current state of research related to Logistics 4.0 is presented. This forms the substantive and thematic basis for the subsequent research. The second part of the cumulative dissertation focuses on an empirical research foundation and a methodological contribution to the investigation of the human-centred design of Logistics 4.0. First, the effects of the development towards Logistics 4.0 on employees, especially on their work characteristics, are examined with a focus on intralogistics tasks; this serves to capture the changes perceived by employees, to verify the significance of the transformation process and to analyse the influence of its technical components on the changes in work characteristics. Although the second article of this cumulative dissertation is able to show changes in work characteristics in Logistics 4.0, a quantitative analysis of research articles presented in the third article of this cumulative dissertation proves that research focused on technical changes in the design of Industry 4.0. Therefore, the third article develops a generally applicable, theory-based, systematic analysis tool that makes it possible to examine the effects of the introduction of Industry 4.0 and Logistics 4.0 elements on the humans involved and to anticipate the possible consequences for the overall system. In the third part of this cumulative dissertation, a closer look is taken at the impact of the development towards Logistics 4.0 on order picking as a central, labour-intensive process step in logistics. Therefore, Article 4 first structures the field of Order Picking 4.0 to analyse which technical and process-related solutions have been investigated in research for a human-friendly and economic order picking process. It turns out that a promising order picking system from an economic and social perspective, called hybrid order picking, is evidently under-researched. To contribute to closing this research gap, the fifth article of this cumulative dissertation examines an example of a collaborative, hybrid picking system in which humans and robots perform order picking tasks in a shared workspace. The articles draw on various methods from different disciplines to examine the main topics and rely on a broad theoretical foundation. Methodologically, Article 1, which deals with the conceptual basis of Logistics 4.0, first develops a conceptual framework from which the term and the components of the Logistics 4.0 concept are derived. Two main impact factors are focused on: New demands on logistics as well as new technological opportunities. Subsequently, the current state of research on Logistics 4.0 is examined in a systematic literature review. The focus is on technological applications in logistics and how they change logistics operations. On the basis of the insights gained, the conceptual framework of Logistics 4.0 is detailed and future research perspectives are elaborated - it is shown that the impact of the transformation towards Logistics 4.0 on human factors has been discussed only to a limited extent in the literature analysed. Thus, the methodological focus of Article 2 of this cumulative dissertation is on conducting and analysing semi-structured interviews with intralogistics employees from seven companies in order to investigate interrelations between work characteristics and the Intralogistics 4.0 maturity. Based on the theoretical foundation of the Work Design Questionnaire, the interviews were conducted with 16 employees in intralogistics considering 21 workplace characteristics. Additionally, the Intralogistics 4.0 maturity of the workplaces is assessed. The results show that Logistics 4.0 has a significant impact on the work characteristics and the effects can be both positive and negative in terms of job satisfaction and motivation. In essence, the type and intensity of the impact in the mostly manual processes depend on the type of technologies applied, automation or digital technologies. In Article 3, this analysis is first complemented carrying out a content analysis of the literature in which the main topics of previous research on Industry 4.0 are analysed. The results show that although different roles of humans are identified, human factors are given a subordinate role in research compared to technical applications. Subsequently, a systems framework for analysing and anticipating the influences of Industry 4.0-induced changes on a work system is derived on the basis of five theoretical building blocks. Two examples are used to illustrate the methodology and to demonstrate its practicality. Articles 4 and 5 subsequently focus on the order picking process in the context of Logistics 4.0. First, the current state of research in this area is analysed in Article 4 by means of a conceptual framework and a systematic literature review. The framework distinguishes between substituting and supporting technologies and classifies them qualitatively based on the level of automation. Based on this, four different picking systems are classified and analysed in a systematic literature review. The results show a clear under-representation of hybrid order picking systems, although these offer promising possibilities from a sociotechnical perspective. Based on this, a hybrid order picking system consisting of human order pickers and robot order pickers that pick in a shared workspace is derived in Article 5, which seems promising based on the economic and social goals. In an agent-based simulation – which is especially suitable to analyse the system performance based on interactions between different agents –the interaction of the technical and human subsystems is investigated and the influence of routeing strategies is examined. In a critical discussion of the assumptions of the idealised system of the simulation study, it is shown that hybrid order picking systems offer promising results for real applications and are suitable for improving both the system efficiency and the work of the human order pickers.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XIX, 253 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 650 Management
Divisions: 01 Department of Law and Economics > Betriebswirtschaftliche Fachgebiete > Fachgebiet Produktion und Supply Chain Management
Date Deposited: 09 Feb 2022 15:09
Last Modified: 09 Feb 2022 15:09
DOI: 10.26083/tuprints-00019895
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-198956
Referees: Grosse, Jun.-Prof. Eric ; Glock, Prof. Dr. Christoph
Date of oral examination: 18 October 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19895
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