Simulation der Dauer von Produktentwicklungsprozessen auf ... · 1 Herausforderungen in...

Simulation der Dauer von Produktentwicklungsprozessen auf Basis von

Design Struktur Matrizeng

Thomas GärtnerAachen, 5. September 2008

© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

1 Herausforderungen in Produktentwicklungsprojekten

2Methode der Design Struktur Matrix zur Beherrschung von Komplexität und zur M d lli It ti d N h b it i E t i kl j kt

3

Modellierung von Iterationen und Nacharbeit in Entwicklungsprojekten

Entwicklung eines Simulationsmodells zur Abschätzung von 3

g gProduktentwicklungsdauern und -kosten auf Basis der Design Struktur Matrix

4 Anwendung des Simulationsmodells in der Automobilindustrie

5 Identifikation von Prozessoptimierungspotenzialen durch systematische Parametervariation

2© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

Herausforderungen in Produktentwicklungsprojekten:Iterationen und Änderung von Anforderungen

Produktentwicklungsprojekte sind geprägt durch:Iterationen:

Geplante Iterationen stellen die Qualität sicher (z. B. spiral development process).Geplante Iterationen stellen die Qualität sicher (z. B. spiral development process).Ungeplante Iterationen korrigieren falsche Informationen sowie ungültige Annahmenund erzeugen Mehrarbeit.Gründe für ungeplante Iterationen:g p

- falsche Reihenfolge der Tätigkeiten- schlechte Kommunikation- veränderter Input bewirkt eine Veränderung der Annahmen und Daten

Irrtum bei versehentlich fehlerhaften Informationen- Irrtum bei versehentlich fehlerhaften Informationen- nicht erfasste falsche Annahmen, die als gesichert angenommen wurden

Nachträgliche Änderung von Produktanforderungen: geänderte Gesetzgebung und Rahmenbedingungengeänderte Gesetzgebung und Rahmenbedingungennachträgliche Optimierung des ProduktesÄnderungen in einer parallel laufenden, damit verkoppelten Entwicklung

Die Folge von Iterationen und der Änderung der Produktanforderungen ist Mehrarbeit.Laut einer Studie von Osborne bei Intel waren 13-70% (im Mittel: 33%) der gesamten Projektzeit Mehrarbeit!1


Mehrarbeit!

1Quelle: Osborne, Sean M. (1993) Product Development Cycle Time Characterization through Modeling of Process Iteration, Master Thesis, MIT, Cambridge, MA.

Herausforderungen in Produktentwicklungsprojekten: Komplexität von Informationszusammenhängen

Herausforderung: Erfassung von InformationsflüssenErfasste Beziehungen werden häufig vereinfacht.Viele Beziehungen bleiben unberücksichtigtViele Beziehungen bleiben unberücksichtigt.Iterationen sind nicht abbildbar.Verkoppelte Aktivitäten sind nicht gut darstellbar.

Dokumentierter Informationsfluss Realer Informationsfluss

Herausforderung der Projektplanung in Produktentwicklungsprozessen:Die Abschätzung von Produktentwicklungsdauern ist schwierig aufgrund komplexer Informationszusammenhänge, Iterationen und der Änderungen von Anforderungen.


Informationszusammenhänge, Iterationen und der Änderungen von Anforderungen.

Design Struktur Matrix Darstellung von Informationszusammenhängen

... hängt ab von ... In der Design Struktur Matrix (DSM) können die Abhängigkeiten von

Aktivität 1

können die Abhängigkeiten von Informationen zwischen Aktivitäten eines Prozesses dargestellt werden.

Aktivität 1

Aktivität 2

...

Vorteile:Abbildung von komplexen und hochgradig verkoppelten Prozessen

Aktivität 3

Aktivität 4 beei

nflu

sst

feedback möglichIterationen darstellbarkompakte Darstellungsform

Aktivität 4

Aktivität 5

... b

feed forward

Grad der Abhängigkeit darstellbar

Nachteile:

Aktivität 6 erklärungsbedürftige NotationVerzweigungen nicht eindeutig abbildbar

5© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH AachenQuelle: nach Browning, 2001

Ableiten von Ablaufstrukturen aus der Design Struktur Matrix

Annahme: Erreichen einer möglichst kurzen Projektdauer!

Aktivität 1 Aktivität 2Aktivität 1

Akti ität 2

Sequentielle AktivitätenSequenz von Aktivitäten

Parallele Aktivitäten

Akti ität 2

Aktivität 3

Aktivität 2

Aktivität 3

Akti ität 5

Aktivität 2

Aktivität 4Aktivität 4

Akti ität 5Parallele

Gekoppelte Aktivitäten

Aktivität 5

Aktivität 6

Aktivität 5

Aktivität 6 Gekoppelte Ak i i ä

Aktivitäten

Parallele Aktivitäten

Aktivität 3

Aktivitäten


Aktivität 3


Quelle: nach Browning, 2001

Vergleich der Abbildung eines Projektes in einer DSM und in einem Workflow

Design Struktur Matrix: Workflowdarstellung:

Aktivität 1

Aktivität 1

Aktivität 1


Aktivität 3

Aktivität 4

Aktivität 5

Aktivität 3 Aktivität 4

Aktivität 6 Aktivität 5 Aktivität 6


Entwicklung eines SimulationsmodellsCharakteristika des Simulationsmodells:

Simulationsmodell zur Abschätzung der Produktentwicklungsdauer und -kosten auf Basis der DSMMonte Carlo Simulation, implementiert in MATLABAbbildung mehrfacher Iterationen im ProjektBerücksichtigung von Varianzen der Dauern und Kosten der AktivitätenBerücksichtigung von Varianzen der Dauern und Kosten der AktivitätenBerücksichtigung von Änderungen der Produktanforderungen im ProjektAbbildung von Lerneffekten über mehrere Iterationen

Abnahme der IterationswahrscheinlichkeitAbnahme der Mehrarbeit

Unterschiedliche Möglichkeiten zur Analyse der ErgebnisseUnterschiedliche Möglichkeiten zur Analyse der ErgebnisseAbbildung der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Dauer und Kosten eines ProjektesDarstellung der Dauer-Kosten-AbhängigkeitenDarstellung der Dauer-Kosten-AbhängigkeitenErstellung von Gantt-Charts

Risikomanagement durch Vergleich verschiedener Projektszenarien mittels t ti h P t i ti


systematischer ParametervariationAbleitung von Prozessoptimierungspotenzialen

Benötigter Input für das Simulationsmodell

Dauer und Kosten von Aktivitäten als DreiecksverteilungAbhängigkeitsmatrix: Verkopplung der Aktivitäten

Häufigkeit

g g pp gdurch InformationsabhängigkeitenWahrscheinlichkeitsmatrix: Wahrscheinlichkeit für das Auslösen einer IterationMehrarbeitsmatrix: Anteil der Arbeit einer Aktivität, der in einer Iterationsschleife erneut durchgeführt werden muss M t i Ab h d It ti h h i li hk it

WCVMLVBCV Dauer

Matrix zur Abnahme der Iterationswahrscheinlichkeit: Über die Anzahl der Iterationsschleifen sinkt die Wahrscheinlichkeit für weitere Iterationen

Zusätzlich für Produktänderungen:Änderungsvektor: Angabe des Änderungsgrades eines Bauteils bzw einer FunktionBauteils bzw. einer FunktionÄnderungszeitpunktProduktmatrix: Verkopplung der Bauteile/FunktionenProzess-Produkt-Domain-Mapping-Matrix: Verbindung


Prozess-Produkt-Domain-Mapping-Matrix: Verbindung der Prozess- mit der Produktsicht

Abbildung von Wahrscheinlichkeiten für Iterationen in der Design Struktur Matrix

50 % Wahrscheinlichkeit, dass nach „mechanische

Funktionen festlegen“ eine Iteration zu „elektrischeIteration zu „elektrische

Funktionsweise festlegen“ erfolgt.

0 50.50.75

einf

luss

t ...

75 % Wahrscheinlichkeit,

... b

ee

dass „elektrische Funktionsweise festlegen“

Mehrarbeit für „Funktionsumfänge


festlegen“ erzeugt.

... hängt ab von ...

Entwicklung eines SimulationsmodellsDas Konzeptmodell

1

2

3

4

5

SimulationSimulation mit Produktänderung

5

0,1 0,2 0,1 0,2

0,2

0,2 0,2 0,4

Aktivität 1

Aktivität 2

Aktivität 3Prozess

Bauteil A

Bauteil B

Bauteil C

0,5 0,01 0,3 0,1

0,2 0,2

0,2 0,1Produkt

DSM0 20 40 60 80 100 120 140 160

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

Duration (d)

Activity

23

1

4Visualisierung

Produkt-änderung?

ja

7 8

, , ,

0,7 0,5 0,3 0,1 0,8

0,2 0,3

0,1 0,2 0,2

Aktivität 4

Aktivität 5

Aktivität 6

Produkt DMM

Bauteil D

Bauteil E

0,1

0,4 0,3

DSM4

0,3

g

nein

6

Simulation ohne Produktänderung Produktänderung

Elemente des Simulationsmodells:1. Abhängigkeitsmatrix

2. Iterationswahrscheinlichkeitsmatrix

3 Mehrarbeitsmatrix

5. Visualisierung (Gantt-Charts, Wahrscheinlichkeitsverteilungen, Dauer-Kosten-Abhängigkeit)

3. Mehrarbeitsmatrix

4. Matrix mit Abnahme der Iterationswahrscheinlichkeit

6. Produktänderungsvektor

7. Produkt-DSM

8 Prozess-Produkt-DMM


8. Prozess Produkt DMM

Erläuterung der Funktionsweise des Simulationsmodells

Aktivitäten Dauer [Tage]

BCV MLV WCV

Abhängigkeits-matrix 1 2 3 4

F ktiFunktionendefinieren 1 10 10 10

Software 2 10 10 10

Funktionen definieren 1 0 0 0 0

Software entwickeln 2 1 0 0 0

entwickeln 2 10 10 10

Hardware entwickeln 3 10 10 10

entwickeln

Hardware entwickeln 3 1 0 0 0

T t h 4 1 1 1 0Testphase 4 10 10 10 Testphase 4 1 1 1 0

G tt Ch t h It tiGantt-Chart ohne Iteration

Funktionen definieren 10 Tage

S ftSoftware entwickeln 10 Tage

Hardware entwickeln 10 Tage


Testphase 10 Tage

Erläuterung der Funktionsweise des Simulationsmodells

Iterationswahr-scheinlichkeit 1 2 3 4

Funktionen 1 0 0 0 0

Mehrarbeits-matrix 1 2 3 4

Funktionen 1 0 0 0 0Funktionen definieren 1 0 0 0 0

Software entwickeln 2 0 0 0 0.8


Software entwickeln 2 0 0 0 0.6


Testphase 4 0 1 0 0


Testphase 4 0 0.5 0Testphase 4 0 1 0 0 Testphase 4 0 0.5 0

Abnahme der Iterationsw 1 2 3 4 Gantt-Chart mit IterationIterationsw.


Software

Funktionen definieren 10 Tage

Software entwickeln 10 Tage 6

TageSoftware entwickeln 2 0 0 0 0.9


entwickeln TageHardware entwickeln 10 Tage

Testphase 10 Tage 5 T


Testphase 4 0 0 0 0

p g Tage

Simulation ohne Produktänderung am Beispiel Steuergerätesoftware

Beispiel: Entwicklung der Software eines Steuergerätes im Antriebsstrang

Wahrscheinlichkeitsverteilung der Dauer Abhängigkeit der Dauer und Kosten

ufe

150

140

mul

atio

nslä

auer

[ZE]

130

Anz

ahl S

i D

120

110

Dauer [ZE] Kosten

1000.8 1.0 1.2 1.4

Dauer [ZE]

Mittelwert: 121.9Modus: 121.2Varianz: 40.78

Kosten


5% Perzentil: 112.0695% Perzentil: 132.80

Simulation ohne ProduktänderungProjektdarstellung im Gantt-Chart

1

2

3

4 Iterationen4

5

6

7

8

9

Iterationen

9

10

11

12

13

vitä

ten

vitä

ten

14

15

16

17

18

Akt

ivA

ktiv

19

20

21

22

23

0 20 40 60 80 100 120 140

24

25

26


Dauer [ZE]

Simulation mit ProduktänderungVerknüpfung der Prozess- mit der Produktsicht

Mehrarbeitsvektor

0,5 0,01 0,3 0,1

0,2 0,2

0,05

0,2

0,1 0,2 0,1 0,2

0,2

Aktivität 1

Aktivität 2

P

4,7

2,1Bauteil A

Bauteil B

0,2 0,1

0,1

ProduktDSM

0,36

0,14

0,2 0,2 0,4

0,7 0,5 0,3 0,1 0,8

Aktivität 3

Aktivität 4

Prozess-Produkt-DMM

0,2

8,1Bauteil C

Bauteil D

0,4 0,3 0,090,2 0,3

0,1 0,2 0,2

Aktivität 5

Aktivität 6Vektor mit allen

3,6

3,2Bauteil E

Produktänderungen

Änderungsvektor zum Zeitpunkt X

0,3 Simulation


g p

Simulation mit Produktänderung:Entwicklung Steuergerätesoftware

Beispiel: Änderung der Anforderung im Projekt: „CAN-Buslast reduzieren“

Wahrscheinlichkeitsverteilung der Dauer Abhängigkeit der Dauer und Kostenmit

Produktänderung

släu

fe mitProduktänderung

ohneProduktänderung

Kos

ten

Sim

ulat

ions

ohne Produktänderung

Anz

ahl

Dauer [ZE]Dauer [ZE]

Ohne Mit Produktänderung

Mittelwert 121,86 140,48

Median 121,51 139,97

Varianz 40,78 47,72


5% Perzentil 112,05 130,22

95% Perzentil 132,80 152,50

Simulation mit Produktänderung:Projektdarstellung im Gantt-Chart

1

2

33

4

5

6

7

88

9

10

11

12

13täte

ntä

ten

13

14

15

16

17

18

Akt

ivit

Akt

ivit

18

19

20

21

22

23 Zeitpunkt der Produktänderung

0 20 40 60 80 100 120 140 160

23

24

25

26

Zeitpunkt der Produktänderung


Dauer [ZE]

Ableitung von Prozessverbesserungspotenzialen

Hypothese: Eine Verlängerung der Bearbeitungsdauer einer Aktivität führt zu einer besseren Qualität ihres Outputs (Turnquist 2003) und damit zu einer p ( q )geringeren Iterationswahrscheinlichkeit. Dadurch kann ggf. die Projektdauer gesenkt werden.

Betrachtung der Iteration von Review über Software Design“ nach

124

12516

Betrachtung der Iteration von „Review über Software-Design“ nach „Software-Design und Codierung“

122

123

124

14

15

Dauer Aktivitätität [

ZE]

ktda

uer [

ZE]

120

121

12

13simulierte Projektdauer

Dau

er A

ktiv

i

mul

iert

e Pr

ojek

118

119

10

11

Sim


0.40 0.30 0.20 0.10 0.00Iterationswahrscheinlichkeit

Zusammenfassung & Ausblick

Zusammenfassung:

Design Struktur Matrix als Methodik zur Modellierung komplexer Projekte

Vorhersage- und Optimierungsmodell für die Dauer und Kosten von CE-Projekten

Berücksichtigung der Haupteinflussfaktoren für die ungeplante Verlängerung von g g p g p g g

Projekten: Iterationen und die Änderung von Produktanforderungen

Durchführung von Parameterstudien zur Ableitung von Maßnahmen zur

Prozessverbesserung

Validierung anhand verschiedener Entwicklungsprojekte

Geplante Schritte:

Implementierung der Möglichkeit Tätigkeiten zu überlappenp g g g pp

Durchführung weiterer Verifikationsstudien

Umsetzung der Prozessoptimierungsmaßnahmen


g p g

VIELEN DANK fü Ih A f k k itfür Ihre Aufmerksamkeit

Di l I U iDipl.-Ing. Univ.Thomas Gärtner

RWTH Aachen - Institut für ArbeitswissenschaftBergdriesch 27 D 52062 AachenBergdriesch 27 • D-52062 AachenTel.: 0241 / [email protected]


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