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Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik und Electronic Government Universität Potsdam

Chair of Business Information Systemsand Electronic GovernmentUniversity of Potsdam

Univ.-Prof. Dr.–Ing. habil. Norbert Gronau Lehrstuhlinhaber | Chairholder

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Simulation von GeschäftsprozessenGeschäftsprozessmanagement

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Einführung in die Simulation von Prozessen Simulationsmethode - System Dynamics Simulationsmethode - Petri-Netze Vorgehensweise und typische Simulationsanalysen Modellierungs- und Simulationswerkzeug ADONIS

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Im weiteren Sinn ist die Simulation das Vorbereiten, Durchführen und Auswerten gezielter Experimente mit einem Simulationsmodell.

Simulation

Definition von Simulation

Nachbilden eines dynamischen Prozesses in einem System mit Hilfe eines experimentierfähigen ModellsZiel ist der Gewinn von auf die Wirklichkeit übertragbaren Erkenntnissen

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Simulation (Dynamische Bewertung)Rechnerische Auswertung (Statische Bewertung)

Entwicklung der Simulation

Durchschnittliche Zeiten und KostenErmittlung der Größenordnung des PersonalbedarfsSehr hohe Komplexität bei Prozessmodellen mit mehreren Entscheidungen / Verzweigungen oder Rückkopplungsschleifen

Genaue Ermittlung von Aktivitäts- und Prozesszeiten und -kosten.Genaue Ermittlung des Personalbedarfs inkl. PersonalkostenBerechnung von WartezeitenPfadbetrachtungen (abhängige Entscheidungen)Komplexität besser beherrschbar

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Ziele

Bestehende Betriebsabläufe verbessern und neue Planungen und Alternativen beurteilen Vermeidung langwieriger Feinabstimmungen und kostentreibender Experimente Reduzieren von Durchlaufzeiten, Verringern von Liegezeiten und Lokalisieren von Schwachstellen und EngpässenVerbesserte Gestaltung bestehender Produktionsanlagen Bewertung alternativer Fertigungskonzepte, veränderter Prozesszyklen und Kapazitätserweiterungen

Ziele der Simulation

Quelle: Schnitz 2007

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Simulation als Entscheidungsgrundlage

Simulation

Evaluation von Prozessen Alternativenbewertung

Prozess-optimierung

Prozesskosten-rechnung

Ressourcen-einsparung

Ermittlung vonPlanungsdaten

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Ressourcen und Kapazitätsplanung Prozess- und ArbeitsoptimierungErmittlung mengen-, zeit- u. kostenabhängiger Ergebnisse

Typische Einsatzgebiete der Prozesssimulation

Quantitative Auswertung von ProzessmodellenAufdeckung von kritischen ProzesspfadenBudget- und Kostenstellenplanung

Auswertung von Geschäftsprozessen in Verbindung mit ausführenden Stellen, Rollen, Akteuren usw.Ermittlung der ProzessdurchlaufzeitenPersonalbedarfsrechnung

Gegenüberstellung von Ist- und Soll-GeschäftsprozessenIdentifikation von Optimierungsmöglichkeiten

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Auswertbarkeit von Entscheidungen

Angaben über Häufigkeit von Prozessausführungen

Vollständigkeit der Modellierung

Voraussetzungen für die Prozesssimulation

Erfassung von Zeit und Kosten (Eingangsdaten)BearbeiterzuordnungSubprozesse

Variablenbelegung bzw. AttributwerteÜbergangsbedingungen und -wahrscheinlichkeiten

ProzesskalenderBearbeiterkalenderProzessmengen

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Arten der computergestützten Simulation

Quelle: Marquardt 2003

Ereignisdiskrete Simulationnutzt ein Modell einesphysischen Systems, welcheszu diskreten Zeitpunkten seinenZustand ändert. Sowohl Art alsauch Zeitpunkt derZustandsänderungen sindjeweils exakt bestimmbar.

Monte Carlo Simulationbildet stochastischeProzesse ab, bei denender Zeitbezug keine Rollespielt. Sie wird auch als„Methode der wiederholtenVersuche“ bezeichnet.

Kombinierte Simulationbettet ereignisdiskreteSimulationen in einkontinuierliches Modell ein.

Hybride Simulationnutzt kontinuierliche Sub-Modelle innerhalb vonereignisdiskreten Modellen.

Kontinuierliche Simulationnutzt Gleichungssysteme,welche das System in Formvon (Änderungs-)Ratenbeschreiben.

Computerspielesind i.d.R. eine Kombination

aus allen hier genanntenSimulationsarten.

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NachteileVorteile

Vor- und Nachteile der Simulation

Quantitative Auswertung von komplexen Prozessmodellen„Was-wäre-wenn" Szenarien Verbesserung der Prozessbeherrschung Simultane Auswertung von Informations- und Materialflüssen Identifikation von Schwachstellen Durchführung von Sensitivitätsanalysen

Qualität der Ergebnisse stark abhängig von der Qualität der Eingangsdaten Definition von Störgrößen besonders problematischNotwendigkeit der Validierung auf PlausibilitätRealitätsnähe (insbesondere bei Ist-Prozessen)Isoliertes, in sich geschlossenes System

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Systemdynamische Modellbildungsmethode Um 1960 von Jay Forrester am MIT entwickeltFür verschiedene Sachzusammenhänge geeignet, da allgemeiner Ansatz

System Dynamics

Quelle: Forrester 1977

ÄnderungsrateFlußgrößeflow

BestandsgrößeZustandsgrößelevel, stock

Konstante FunktionHilfsgrößeauxiliary

Außenwelt

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Systemelement RückkopplungSystemgrenze

Grundprinzipien der System Dynamics


Umfasst alle zum Verständnis des beobachteten Systemverhaltens notwendigen Systemelemente

Verbindung in Form von Rückkopplungsschleifen

Zwei Typen von SystemelementenBestandsgrößen: beschreiben Systemzustand zu jedem ZeitpunktFlussgrößen: beschreiben die Systemdynamik

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Beispiel für eine Modellierung mit System Dynamics


Kanalisation oder versickern

Zuflussrate

Wasserstand

Abflussrate

Zuflussfaktor Abflussfaktor

Leitungswasser oder Regenwasser

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System Dynamics - Vorgehensmodell


Bestimmung des zu analysierenden Problems bzw. Verhaltens

Qualitative Modellierung des realen Gesamtsystems (Wirkungsgefüge-Diagramm)

Simulation der zeitlichen Entwicklung

Quantitative Modellierung der einzelnen Verknüpfungen

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Einsatz

Petri-Netze sind zur Beschreibung von Systemen, aber auch für die Modellierung von Geschäftsprozessen geeignet.

Allgemeines

Petri-Netze

1962 von C. A. Petri entwickelt Mathematische Theorie zur formalen Beschreibung von (Informations-) Transformationsprozessen Bilden Grundlage für ausführbare Programme

Hilfsmittel zur Modellierung des Informations- und Kontrollflusses von nebenläufigen Systemen Viele Systeme der Geschäftsprozessmodellierung und des Workflow-Managements beruhen auf diesem Konzept

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Transitionen (Hürde, Zustandsübergang)

Ein Petri-Netz ist ein bipartiter Graph bestehend aus zwei verschiedenen Sorten von Knoten.

Notation der Knoten

Stellen (Platz, Zustand)

Zwischenablage für Daten bzw. InformationenBedeutung im Modellierungskontext: Datenspeicher

Beschreibung der Verarbeitung von Daten bzw. InformationenBedeutung im Modellierungskontext: Aktivität

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Token (Marken bzw. Zeichen) Markierung

Notation weiterer Elemente

Kanten

Kanten dürfen jeweils nur von einer Knotensorte zur anderen führenKeine direkten Verbindungen zwischen zwei Stellen oder zwei TransitionenBedeutung im Modellierungskontext: Kontroll- und Datenfluss

Kapazität einer StelleKeine Angabe der Kapazität Annahme unendlicher Kapazität

Belegung der Stellen = Zustand des Petri-Netzes

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Zusätzliche Schaltbedingung

Die Systemdynamik ergibt sich durch den Übergang der Zustände/Transitionen (Bedingungen) bei Eintritt eines Ereignisses (Schalten der Transition).

Annahmen und Voraussetzungen

Petri-Netze sind Bedingungs- und Ereignis-Netze

Objekte bzw. Marken vom Datentyp booleanInterpretation der Ereignisse als TransitionenBezeichnung der Stellen als Bedingungen Jede Stelle kann entweder genau eine oder keine Marke enthalten

Transition A schaltbar, wenn Marke in jeder Eingabestelle von A und jede Ausgabestelle von A leer

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Beispiel Petri-Netze

Raum gesperrt

Antragstellerbetritt Raum

A verlässtRaum

Raum frei A ist fertig

B gibt A Bescheid

A wartet

A gibt BAntrag

B hatAntrag

B arbeitet

Antragfertig

B ist frei

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Übersetzungsregeln EPK - High-Level Petri-Netze

High-Level Petri-Netze Ereignisgesteuerte Prozessketten

Stelle Ereignis

Transition Funktion

AND-Split, AND-Join UND-Split, UND-Join

OR-Split, OR-Join ODER-Split, ODER-Join, XOR-Split, XOR-Join

Marke NICHT VORHANDEN

Schaltungsregel NICHT VORHANDEN

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Grundsätzliches Vorgehensmodell für Simulationsstudien

Quelle: Schnitz 2007

Zieldefinition

Analyse Datenerfassung

Modellerstellung Validierung

Experimente

Änderungen Ergebnisse

Bewertung

Lösung

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Quantitative Parameter der Prozesssimulation

Quantitative Parameter

Zeiten

Liegezeit

Bearbeitungs-

zeit

Wartezeit

Transportzeit

Durchlaufzeit

...

Kosten

Aktivitäts-

kosten

Akteurs-

kosten

Prozess-

kosten

Ressourcen-

kosten

Transaktions-

kosten

...

Kapazitäten

Prozessmenge

Personalbedarf

Belastungen

Auslastungen

...

Sonstige Parameter

Prozess-

kalender

Akteurs-

kalender

Ressoucen-

kalender

Wahrschein-

lichkeiten

...

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EinsatzszenarienAllgemeines

ADONIS

Quelle: ADONIS 2008

1996 von BOC und der Universität Wien entwickeltWerkzeug für die fachliche, modellbasierte Gestaltung von Geschäftsprozessen, Organisationsstrukturen, Produkten und IT-Systemen

Geschäftsprozessführung und -steuerungProzessorientierte AnwendungsentwicklungProzessbasierte Re-OrganisationProzessbasierte UnternehmensdokumentationProzessbasiertes Wissensmanagement

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ProzessstartProzessaufrufAktivitätEntscheidungParallelitätVereinigungEndeVariableVariablenbelegungRessource

Notation von ADONIS

Quelle: ADONIS 2008

Nachfolgerbelegt Variable (Var.-Beleg. -> Var.)belegt (Var.-Beleg. -> Aktivität)verwendet (Aktiv. -> Ressource)hat Notiz

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Eigenschaften Problem

In der Simulation müssen sowohl die Variablen als auch die Werte der Variablen definiert werden.

Definition

Definition von Übergangsbedingungen in ADONIS

Entsprechen semantischen Informationen zum Kontrollfluss

Bestimmen die Pfadauswahl (z.B. durch Wahrscheinlichkeiten)Simulation abhängiger WahrscheinlichkeitenErrechnung pfadspezifischer Durchlaufzeiten

Häufig keine konkreten Entscheidungen modellierbarDeshalb Verwendung von Aussagen zur statistischen Verteilung

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Diskrete Verteilung

Normalverteilung

Gleichverteilung

Exponentialverteilung

In Ermangelung realer Werte werden Verteilungsfunktionen auf der Basis von Wahrscheinlichkeitswerten definiert.

Variablen und Verteilung

Feste Menge möglicher Werte mit bekannten Auftrittswahrscheinlich-keiten

Alle Werte eines Intervalls haben gleiche Auftrittswahrscheinlichkeiten

Exponentielle Abweichung von einem Erwartungswert

Gleichmäßige Abweichung eines Wertes von einem Erwartungswert

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Diskrete Variable "Genehmigung" mit Werten "Ja" und "Nein"Verzweigung durch Entscheidung

Pfade verwenden Variable "Genehmigung"

Beispiel: Urlaubsantrag

VariablennameVariablenwerte

(Verteilung)

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Einführung in die Simulation von Prozessen Simulationsmethode - System Dynamics Simulationsmethode - Petri-Netze Vorgehensweise und typische Simulationsanalysen Modellierungs- und Simulationswerkzeug ADONIS - Pfadanalyse

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Ergebnisse

Unter Pfadanalyse wird die simulationsbasierte Auswertung von Geschäftsprozessen ohne Berücksichtigung der Aufbauorganisation verstanden.

Wesentliche Voraussetzungen

Pfadanalyse

Formales ProzessmodellPfadwahrscheinlichkeitenAktivitätsbezogene Zeiten- und Kostenfaktoren

Geschäftsprozessergebnisse (z. B. durchschnittliche Durchlauf- / Bearbeitungszeit)Pfadergebnisse (z. B. durchschnittliche Durchlauf- / Bearbeitungszeit, unbenutzte / "tote" Pfade)Aktivitätsergebnisse (z. B. durchschnittliche Bearbeitungszeit, Aktivitätshäufigkeit)

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Ergebnis: A1 + A2 + A3 = 15 Min.

Beispiel: Durchlaufzeit und Parallelität

Bei Parallelität der Aktivitäten (An) entspricht der Durchlaufzeit nicht der Summe der einzelnen ZeitwerteEs wird der jeweilige Maximalwert berücksichtigt

Start

10 Min.

5 Min.

A1

A2

A3

5 Min.

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Pfadanalyse: Beispiel

VoraussetzungFormales Modell, Kosten in Geldeinheiten, Zeit in Minuten

ErgebnisseDurchschnittliche Durchlauf- / Bearbeitungszeit, tote Pfade, Aktivitätshäufigkeit

10 Min. / 15 GE

5 Min. / 20 GE

A1

A2

A3

A4

A5

Wahrscheinlichkeit: 30%

WS: 70%

5 Min. / 10 GE

3 Min. / 10 GE

15 Min. / 5 GE

Start

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BearbeitungszeitDurchlaufzeit

Häufig ausgewertete Zeitparameter

Zeit, die durchschnittlich vom Start des Geschäftsprozess bis zu dessen Beendigung verstreicht

Zeit, die durchschnittlich für Bearbeitung der Aktivitäten anfällt

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Liegezeit TransportzeitWartezeit

Weitere betrachtete Zeitparameter

Zeit, die durchschnittlich als Wartezeit vor Bearbeitung bzw. bei Aktivitätsunterbrechung anfällt

Zeit, welche die Aktivitäten durchschnittlich nach Bearbeitung bei Akteuren liegen bleiben

Zeit, die durchschnittlich für Transport zwischen Aktivitäten anfällt

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Einführung in die Simulation von Prozessen Simulationsmethode - System Dynamics Simulationsmethode - Petri-Netze Vorgehensweise und typische Simulationsanalysen Modellierungs- und Simulationswerkzeug ADONIS - Belastungs- und Auslastungsanalyse

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Ergebnisse

Die Belastungsanalyse ist eine kapazitätsorientierte Betrachtung, bei der den Aktivitäten Bearbeiter zugeordnet und Wartezeiten vorgegeben werden.

Voraussetzungen

Belastungsanalyse

Formales ModellPfadwahrscheinlichkeiten und aktivitätsbezogene Zeiten / KostenMengengerüste der jeweiligen Geschäftsprozesse (Welcher Prozess tritt wie oft auf?)Elemente der Aufbauorganisation

Anzahl der benötigten Akteure / RessourcenbedarfPersonalbedarfsrechung

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Ergebnisse

Diese Analyse ist eine zeitbezogene Betrachtung anhand einer Zeitachse, bei der Wartezeiten nicht mehr vorgegeben, sondern durch die Simulation ermittelt (Warteschlangenmodell) werden.

Zusätzliche Voraussetzungen

Auslastungsanalyse

Prozesskalender, beschreibt mittels statistischer Verteilung Anstoßintervalle der ProzesseAkteurkalender / Ressourcenkalender, beschreibt Zeit die ein Akteur / eine Ressource zur Verfügung steht

Ermittlung von WartezeitenIdentifikation von EngpässenSzenariobewertung für Ist-Soll-Vergleiche

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Belastungsanalyse und Auslastungsanalyse

Quelle: Kühn/Karagiannis 2001

Start

10 Min. / 15 GE

5 Min. / 20 GEA1

A3

A4 A5

30%

70%

Mengen

Kalender

A2

OE1

OE3OE2

R

R

Ressource 1

Output (Auslastungsanalyse):GeschäftsprozessergebnisseAktivitätsergebnisse (Wartezeiten!)AkteursergebnisseRessourcenergebnisse

Input (Auslastungsanalyse):GeschäftsprozessmodellAufbauorganisationsmodellZeiten und KostenÜbergangswahrscheinlichkeitenKalender

Output (Belastungsanalyse):GeschäftsprozessergebnisseAktivitätsergebnisseAkteursergebnisse (Personalbed. etc.) Ressourcenergebnisse

Input (Belastungsanalyse):GeschäftsprozessmodellAufbauorganisationsmodellZeiten und KostenÜbergangswahrscheinlichkeitenMengengerüste

5 Min. / 10 GE

10 Min. / 15 GE

10 Min. / 15 GE

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Welchen Beitrag leistet Simulation im Geschäftsprozessmanagement?Was verbirgt sich hinter dem Begriff System Dynamics?Wie sind Petri-Netze aufgebaut?Wie ist das typische Vorgehen bei einer Simulation?Welche verschiedene Analysemethoden existieren in ADONIS?Wie sieht die Notation in ADONIS aus?

Kontrollfragen

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ADONIS: https://de.boc-group.com/adonis/ 2015. Abruf am 31.12.2015

Allweyer, Thomas: Geschäftsprozessmanagement. W3L GmbH, 2005.

Becker, J.; Kugeler, M.; Rosemann, M.: Prozessmanagement. 3. Auflage Berlin Heidelberg New York, 2002.

Forrester, J.W.: Industrial Dynamics, 9. Auflage, Cambridge, 1977.

Krallmann, H.; Frank, H.; Gronau, N. : Systemanalyse im Unternehmen. Oldenbourg (München), 2002.

Kühn, H., Karagiannis, D.: Modellierung und Simulation von Geschäftsprozessen. WISU - Das Wirtschaftsstudium, 30. Jg., 8-9/2001, S. 1161-1170, 2001.

Marquardt, H.-G. u.a.: Simulation von Logistik- und Materialfluss-Systemen - Einführung. Arbeitspapier, 2003.

Rosenkranz, Friedrich: Geschäftsprozesse. Springer (Heidelberg), 2005.

Literatur

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