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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
August-Bebel-Str. 89 | 14482 Potsdam | Germany
Tel +49 331 977 3322Fax +49 331 977 3406
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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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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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Einführung in die Simulation von Prozessen Simulationsmethode - System Dynamics Simulationsmethode - Petri-Netze Vorgehensweise und typische Simulationsanalysen Modellierungs- und Simulationswerkzeug ADONIS
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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
Quelle: Forrester 1977
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
Quelle: Forrester 1977
Kanalisation oder versickern
Zuflussrate
Wasserstand
Abflussrate
Zuflussfaktor Abflussfaktor
Leitungswasser oder Regenwasser
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System Dynamics - Vorgehensmodell
Quelle: Forrester 1977
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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Einführung in die Simulation von Prozessen Simulationsmethode - System Dynamics Simulationsmethode - Petri-Netze Vorgehensweise und typische Simulationsanalysen Modellierungs- und Simulationswerkzeug ADONIS
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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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Einführung in die Simulation von Prozessen Simulationsmethode - System Dynamics Simulationsmethode - Petri-Netze Vorgehensweise und typische Simulationsanalysen Modellierungs- und Simulationswerkzeug ADONIS
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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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