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Simulation von Geschäftsprozessen

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Was ist Simulation? Und wie simuliert man Geschäftsprozesse? …

Was ist Simulation? Und wie simuliert man Geschäftsprozesse?
Diese und viele andere Fragen zu dem Thema "Simulation von Geschäftsprozessen" behandelt Thomas Schuster vom Forschungszentrum Informatik (FZI) in seinem Vortrag von der DOAG Konferenz 2010.
Hier geht er auch auf die Simulation von Geschäftsprozessen basierend auf Petri-Netzen und durch das BPM Tool Horus ein.

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  • 1. Simulation von Geschäftsprozessen Thomas Schuster Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 1
  • 2. Agenda Einführung Anwendungsbeispiele Analytische Verfahren und Simulation im Vergleich  Arten der Simulation Simulation von Geschäftsprozessen  Zielsetzung  Ergebnisauswertung Zusammenfassung und Ausblick Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 2
  • 3. Einführung Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 3
  • 4. Simulation Duden  Simulation (aus lat. Simulatio „Vorspiegelung“): 1. Verstellung. 2. Vortäuschung [von Krankheiten]. 3. Nachahmung (in Bezug auf technische Vorgänge). 4. Die Nachbildung realistischer Vorgänge mithilfe eines Computers (Informatik). VDI [Richtlinie 3633]  „Simulation ist das Nachbilden eines dynamischen Prozesses in einem System mit Hilfe eines experimentierfähigen Modells, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind.“  „… das Vorbereiten, Durchführen und Auswerten gezielter Experimente mit einem Simulationsmodell … kann das zeitliche Ablaufverhalten komplexer Systeme untersucht werden…“ Robert, E. Shannon  „The process of describing a real system and using this model for experimentation, with the goal of understanding the system’s behaviour or to explore alternative strategies for its operation.“ Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 4
  • 5. Simulation – Ausgangssituation Abbildung von Bereichen, die nur schwer experimentell oder gar nicht untersucht werden können  Auch (noch) nicht existierende Systeme Analytische Techniken sind oft leistungsfähiger, aber aufgrund von Komplexität eingeschränkt  State-Explosion-Problem Neben realen Experimenten ist Simulation die Technik zur Analyse komplexer, dynamischer Prozesse  Simulation ist die meistgenutzte Problemlösungsstrategie  Berechnete Ergebnisse werden stellvertretend für die Verhältnisse in der Realität angenommen Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 5
  • 6. Simulation – MehrwertGegenüber realen Experimenten und analytischen Verfahren kann Simulation auch sehr umfangreiche Systeme handhabenGrundlage der Simulation ist meist ein Modell, da Experimente am realen System dieses beeinträchtigen (zu teuer, nicht möglich wäre oder dieses zerstören würde) Ziele  Besseres Verständnis der Systemzusammenhänge und des Systemverhaltens  Auswertung verschiedener Strategien  Entwicklung von Handlungsstrategien Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 6
  • 7. Simulation – Vorgehensmodell1. Entwurf formaler (mathematisch-logischer) Modelle zur Abbildung realer Systeme2. Durchführung von Experimenten (computergestützt auf Modellen)3. Auswertung der Ergebnisse4. Ableitung von Maßnahmen und reale Anwendung Realität Modell Abstraktion reales formale Problem Problem- beschreibung Analyse durch Simulation reale formale Problemlösung Problemlösung Interpretation & Umsetzung Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 7
  • 8. EinführungKonzepte Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 8
  • 9. Simulation – Konzepte Simulationsmodell  Ein Modell ist ein abstrahiertes Abbild der Realität (eines Systems). Es erfasst nicht alle Eigenschaften des Originals, sondern nur diejenigen, die abgebildet werden.  Oftmals sehr komplexe Modelle, für die keine analytischen Lösungsverfahren existieren Grundlage von Simulationsmodellen  Empirische Untersuchungen  Theorien Quelle:www.flightgear.org Quelle:www.bonn.de Quelle:www.itm.kit.edu Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 9
  • 10. Simulation – Konzepte System (Untersuchungsgegenstand)  Anzahl von Objekten  Menge von Interaktionen zwischen Systemobjekten [Schmidt, Taylor 1970] Systemumgebung  Externe Faktoren, die eine Änderung im System verursachen können Systemzustand  minimale Informationsmenge, mit der das zukünftige Verhalten des Systems bei Abwesenheit von Zufallsereignissen eindeutig vorhergesagt werden kann  Aktivitäten lösen Zustandsänderungen aus  außerhalb des Systems: exogen  innerhalb des Systems: endogen Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 10
  • 11. Simulation – Konzepte Simulationsexperiment (auch: Experiment)  Ist die empirische Untersuchung des Systemverhaltens (abstrahiert durch das Simulationsmodell)  Erfolgt über einen bestimmten Zeithorizont  Vorbedingung: festgelegter Input (Eingabedaten)  Wird wiederholt mit systematischen Parametervariationen durchgeführt, man spricht dann auch von Simulationsläufen. Simulationsergebnis (auch: Ergebnis)  Protokoll der beobachteten Parameter  Darstellung von Differenz und zeitlicher Entwicklung der Änderung von zuvor festgelegten Zustandsgrößen Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 11
  • 12. Anwendungsbeispiele Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 12
  • 13. Anwendungsbeispiele für Simulation Einsatz von Simulationsmodellen in  Unterhaltung  Industrie, Technik  Wissenschaftlich Industriell  Chemische Prozesse  Verbrennungsmotoren/Reaktoren  Kühl- und Heizungssysteme  Wärmeverteilung in  Anlagen Quelle:www.iwi.uni-hannover.de  Häusern  PC-Gehäusen Quelle:www.wikipedia.de Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 13
  • 14. Anwendungsbeispiele für Simulation Physik / Informatik / Biologie / Ökosystem Einsatz im Rahmen von Vorhersagen  Wirkung von Medikamenten (z.B. auf den Blutkreislauf)  Klima und Wetter  Schadstoffentwicklung  Auswirkungen von Atombombenexplosion  Strömungslehre  Crashtests  Computerarchitekturen  Kommunikationsnetze Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 14
  • 15. Anwendungsbeispiele für Simulation Mit betriebswirtschaftlichem Fokus  Geschäftsprozessanalyse und -verbesserung Einsatz im Rahmen von  Produktionsplanung, Verkehrsplanung  Fertigungssysteme  Distributionssysteme, Lagerhaltungssysteme  Ampelschaltungen  Schaltersysteme (Banken, Supermärkte etc.)  Personalplanung Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 15
  • 16. Analytische Verfahren und Simulation im Vergleich Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 16
  • 17. Analytische Verfahren – Simulation Analytisches Modell  Formulierung als geschlossener, mathematischer Ausdruck  abstrakte Struktur, rigide Voraussetzungen  Nicht immer in Praxis anwendbar!  Vorgehen  Formulierung  Berechnung  (optimale) Ergebnisse Simulationsmodell  Nachbildung realer Abläufen im Modell  Keine Optimalitätsgarantie, aber: Ergebnisse  Intuitiv verständlich, System-verhalten kann „abgelesen“ werden  Vorgehen  Modellierung  Experimentieren  Auswertung & Analyse Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 17
  • 18. Vorteile der Simulation Tests von Systemen die (noch) nicht existieren Zeitkompression: Verhalten kann in kurzer Zeit über lange Zeiträume simuliert werden  Auch umgekehrt möglich Beliebige Änderung von Eingangswerten und Konfiguration  Keine Änderung der Realität  Sensitivitätsanalyse: Manipulation der Eingangsgrößen Grafische Darstellung und Animation möglich  Vereinfachtes Experimentieren  Steigerung der Benutzerakzeptanz Kann Verwendung finden, wenn analytische Methoden nicht mehr möglich sind Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 18
  • 19. Nachteile der Simulation Isomorphie (Modell und Ergebnisse ↔ Realität) ist nur schwer einzuhalten  Erfordert sorgfältige Validierung Zielkonflikt (Modell): Abbildungsgenauigkeit ↔ Abstraktion der Realität Hoher Zeit- und Kostenaufwand zur Modellentwicklung  Datensammlung, Interpretation und Analyse häufig schwierig und zeitaufwendig  Verhalten stochastischer Modelle / Modellelemente ist nur aussagekräftig, wenn die Stichproben repräsentativ sind  Expertenwissen erforderlich Simulationsergebnisse sind schwieriger zu interpretieren als Ergebnisse anderer OR-Verfahren Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 19
  • 20. Simulation – Übersicht Chancen und Grenzen Vermischung von Mangelnde Realitätstreue Modell und Realität Transparenz Akzeptanz Datenmangel Grenze Hoher Fehleranfälligkeit Konstruktionsaufwand Erfassung von Alternativen zu Systemkomplexität Chance Realexperimenten Besseres Reproduzierbarkeit Systemverständnis Entscheidungsunter- Untersuchung Integrations- stützung komplexer Systeme Möglichkeiten Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 20
  • 21. Simulation & Optimierung Optimierung durch Simulation bedeutet: Kein besseres Ergebnis lies sich unter den gegebenen Bedingungen ermitteln Kein systematisches (algorithmisches) Verfahren, das automatisch eine optimale Lösung ermittelt  Verschiedene Ansätze werden hierzu wissenschaftlich untersucht Verbesserung durch iterative Modellmodifikation  Konsequenzen einzelner Alternativen ‘durchspielen’) Weitere Hauptaufgaben  Untersuchung des Systemverhaltens  Erhöhung von Verständnis Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 21
  • 22. Analytische Verfahren und Simulation im VergleichSimulationsarten Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 22
  • 23. Arten der Simulation Simulationsmodelle können nach ihren Eigenschaften klassifiziert  statisch oder dynamisch  diskrete oder stetige  deterministische oder stochastisch Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 23
  • 24. Diskrete und kontinuierliche SimulationsmodelleDiskret Kontinuierlich Zustandsvariablen ändern sich zu  Unendlich viele bestimmten Zeitpunkten Zustandsänderungen pro Attribute sind diskret (Werte) Zeitintervall  Zustandsvariablen ändern sich kontinuierlich 140 140 120 120 100 100 80 80 60 60 40 40 20 20 0 0 Beispiele Beispiele  Lagerhaltung  Flugzeug: Höhe oder Position  Anzahl aktive Kassen  Temperatur, Druck  Ampelschaltungen  Chemische Prozesse Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 24
  • 25. Simulationsprozess Analyse: Modellierung des Systems und Festlegung von Messgrößen Analyse Durchführung: Durchführung der Experimente und Beobachtung der Messgrößen Ergebnisinterpretation Durchführung Kontrolle: Vergleich von Ist- und Sollwerten Ergebnisinterpretation: Kontrolle Ziehen von Rückschlüssen und Initiierung von Handlungsmaßnahmen Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 25
  • 26. Simulation von GeschäftsprozessenBasierend auf Petri-Netzen und durch Erweiterungdes Werkzeugs Horus Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 26
  • 27. Zielsetzung Analyse und Qualitätskontrolle von Geschäftsprozessmodellen Ermittlung kritischer Faktoren  Flaschenhälse identifizieren  Strukturelle Gründe  Ressourcenkonflikte  Aufdeckung von Kosten und Wertschöpfung  Ermittlung von Kostentreibern  Durchlaufzeiten Auswertung von Änderungen an Geschäftsprozessen  Evaluierung von Konfigurationsänderungen  Beobachtung einzuhaltender Parameter Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 27
  • 28. Simulation von Geschäftsprozessen Rückführung der Prozessmodelle auf Petri-Netze (Kombination aus GSPN und speziellen Erweiterungen) In der Simulation konfigurierbare Eigenschaften  Oder-Transitionen (eingehend, ausgehend, ein- und ausgehend)  Wahrscheinlichkeiten bei Oder-Entscheidungen  Verfeinerungen (Sub-Netze)  Beteiligte Ressourcen  Benötigte Aufwände (in Abhängigkeit angegebener Verteilungen) für  Bearbeitungszeit (pro Transition)  Transportzeit (pro Transition)  Wertschöpfung (pro Transition)  Lagerzeit und Kosten (pro Stelle)  Initiale Markierungen der Netze Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 28
  • 29. Simulationsparameter Simulationsbeschreibung Die Dauer der Simulation Betrachtete Geschäftsprozessmodelle gpi Häufigkeit der Instanziierung von Geschäftsprozessmodellen  Konstante c oder durch  Verteilung v Abbruchbedingungen  Vorgegebene Anzahl durchlaufener Instanzen  Vorgegebene Anzahl an Aufgaben erledigt Protokollierung von Parametern  Auslastung von Mitarbeitern  Ausführungsdauer bestimmter Aktivität  Generierte Kosten bestimmter Aktivitäten  Protokollierung der Verteilungsparameter Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 29
  • 30. Simulation – Architektur Oracle-DB- File-Based- Repository Repository Horus Verschiedene Reference- Editoren in Manager Horus vorhanden Petri-Netz- Resource- GUI-Simulation Mehrere Editor Editor Komponenten: • Model-Generator, Model- Resource- • Resource-Manager, • Manager-WS- Generator Manager InterfaceSimulation-Engine Exentsions Experiment- Experiment- Report- DesmoJ- DesmoJ- Configuration Executor Generator Extensions Framework Simulation- Simulation- z.B. Oracle BI Visualization Analysis Suite Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 30
  • 31. Simulationsparameter – GUI GUI ist integriert in das Werkzeug Horus Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 31
  • 32. Simulation – Ablauf PNSimulator Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 32
  • 33. Simulation von GeschäftsprozessenErgebnisauswertung Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 33
  • 34. Simulation – Trace<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?><p:trace ...> <p:diagrams> <p:diagram neturi="..." name="..." simulationdepth="2" id="10"> <p:diagram neturi="..." name="..." id="1" supertransitionid="t23396348" /> <p:diagram neturi="uri" name="..." id="2" ^^ supertransitionid="t23336634" /> </p:diagram> <p:diagram netturi="..." name="..." id="3" /> <p:diagram neturi="..." name="..." simulationdepth="2" id="5" /> <p:diagram neturi="..." name="..." simulationdepth="2" id="6"> <p:diagram neturi="..." name="sendenl" id="7" supertransitionid="t19017836"> <p:diagram neturi="..." name="..." id="8" supertransitionid="t190178453" /> </p:diagram> <p:diagram neturi="..." name="..." id="9" supertransitionid="t11750355" /> </p:diagram> ... </p:diagrams> Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 34
  • 35. Simulation – Trace... </p:diagrams> <p:resources> <p:generalresource xmiid="TestResource" resourceuri="uriTest.shm" shortname="Test" id="1" dbid="2147483647" /> <p:humanresource name="Meier" resourcedbid="4351" resourceuri="urimeier.employee_def" roleuri="uriadministrator.role_def" roledbid="2147483647" id="2" /> <p:humanresource name="Meier" resourcedbid="265" resourceuri="urimeier.employee_def" roleuri="urideveloper.role_def" roledbid="2147483647" id="3" /> <p:humanresource name="Müller" resourcedbid="300" resourceuri="urimueller.employee_def" roleuri="urideveloper.role_def" roledbid="2147483647" id="3" /> ... </p:resources> Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 35
  • 36. Simulation – Trace </p:resources> <p:firingEvent processInstance="0" transitionId="t23396348" valueAdded="1" diagramid="1" processingTime="2" arrivalTime="1" costs="1.0"> <p:humanresource workload="0" processrole="owner" id="0" /> <p:preplace tokens="0" placeid="p28490615" tchange="1" /> <p:postplace tokens="1" placeid="p22980255" tchange="2" /> </p:firingEvent> <p:firingEvent processInstance="0" transitionId="t11672852" valueAdded="1" diagramid="1" processingTime="1" arrivalTime="3" costs="1.0"> <p:humanresource workload="0" processrole="assistant" id="2" /> <p:preplace tokens="0" placeid="p22980255" tchange="1" /> <p:preplace tokens="1" placeid="p22980235" tchange="2" /> <p:postplace tokens="1" placeid="p6407574" tchange="1" /> </p:firingEvent> <p:firingEvent processInstance="1" transitionId="t32175877" valueAdded="1" diagramid="1" processingTime="3" arrivalTime="4" costs="1.0"> <p:preplace tokens="0" placeid="p6407574" tchange="1" /> <p:postplace tokens="1" placeid="p22980255" tchange="1" /> <p:postplace tokens="3" placeid="p6407574" tchange="2" /> </p:firingEvent>...</p:trace> Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 36
  • 37. Ergebnisauswertung – Beispielhaft Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 37
  • 38. Fazit und Ausblick Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 38
  • 39. Fazit Simulation empfiehlt sich, wenn reale Experimente nicht möglich oder die Grenzen analytischer Methoden überschritten werden Simulationsergebnisse können zur Verbesserung von Geschäftsprozessmodelle genutzt werden Eine Simulationsumgebung für das Modellierungswerkzeug Horus wird entwickelt Die Simulationskomponente ermöglicht  Gleichzeitige Simulation mehrerer Geschäftsprozessmodelle  Beobachtung ausführungsrelevanter Ressourcen.  Die Analyse und Auswertung kann auf Basis der erzeugten Protokolldateien erfolgen Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 39
  • 40. Ausblick Integration und Entwicklung weiterer Scheduling-Verfahren Untersuchung zusätzlicher Attribute  Beispielsweise könnten neben Mitarbeiterrollen auch Kompetenzen zur Zuweisung geeigneter Ressourcen Integration einer Auswertungskomponente  Diese sollte für Endanwender leicht konfigurierbar sein  Untersuchung verschiedener BI-Fameworks sowie die Anbindung von R  Festen Integration einer Menge von Metriken  Konfiguration bestimmter Parameter durch den Endanwender Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 40
  • 41. Herzlichen Dank für Ihr Interesse! Simulation von Geschäftsprozessen • Thomas Schuster • 18.11.2010 41