Dynamic Network Planning in Construction Projects using Configurable Reference Process Models

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1 Dynamic Network Planning in Construction Projects using Configurable Reference Process Models Dynamische Netzplanung in Bauprojekten unter Verwendung von konfigurierbaren Referenzprozessmodellen Kurzfassung und Thesen zur an der Fakultät Bauingenieurwesen der Technischen Universität Dresden eingereichten Dissertationsschrift zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt von Wael Sharmak geboren am 20. Juli 1977 in Damassuburb, Syrien Dresden, 20. Januar 2011

2 Abstract The experience in the construction industry shows that almost no project performs totally as planned. Dynamic changes are frequently needed in different management plans. These changes can be ascribed to the high uncertainty in the planning phase of a construction project, which can be evaluated as potential causes of risks and risks can be in turn evaluated as potential causes of changes in different project management plans (schedule, cost, resources etc.). The knowledge collected from different sources can reduce the uncertainty and, consequently, the error rate in the planning phase. Accordingly, less change will be needed within the execution phase. For this reason, relevant knowledge should be documented in an explicit way to enable all the interested people to share and use their experiences properly. In this work, the schedule as a project management plan is in the main focus. Business Process Modeling techniques are used successfully in different business sectors to document, reuse and enhance the process knowledge in the form of process models. In this work, several concepts from the Business Process Modeling are adopted to build a Process-oriented Knowledge Management System as an adequate and efficient approach for the explicit documentation of the schedule knowledge. Nevertheless, it is mostly impossible to apply the exact process as explicit work schedule in different construction projects. Accordingly, a degree of individuality is required within each use of a construction process. For that reason, a standardized process description is developed that offers a certain degree of flexibility in its content to be usable in different contexts. The developed approach suggests the use of configurable fragments in the course of the process models to express the uncertain parts of the process. Accordingly, an amount of flexibility will be shown when these configurable fragments will be included or excluded from the process model according to the prevailing conditions. The configurable fragments are generalized and described on type level as Configuration Templates. A general structure of a Configurable Reference Process Model (CRPM) is developed as an ontology model, where the Configuration Templates are integrated to express the possible flexibility in the process course of action. The population of the ontology model with the process data builds a Processoriented Knowledge base, where the CRPMs provide the target process knowledge formation. These CRPMs can be used to plan future akin process schedules. As a result, considerable planning effort will be saved. Moreover, the quality of the process schedules, since they will be derived from the reference process models, will be enhanced. A software architecture for a process-oriented knowledge management system that utilizes the CRPM- Knowledge base as a data source in the background of a management tool realized within this work. This software can be used for a better life-cycle-management (design, retrieval, selection, implementation, and enhancement) of the overall CRPMs. This software architecture consists of three tiers, namely, data, application, and graphical user interface. The data tier contains the CRPM- Knowledge base as a global data source and local databases to store the implemented CRPMs instances. The application tier supports the different stations of the CRPM-life-cycle. The presented approach can be used in the planning phase as well as in the execution phase of the project. In the planning phase it can be used to speed up the planning process and although it ensures getting more reliable process schedules. What-if scenarios can be implemented to study the effect of specific situations without endangering the success of the process objectives. The trigger of each configurable fragment is a risk that can be used, as a part of the checklist for risk management. Accordingly, risks can be identified based on the project relevant CRPMs. In the execution phase this approach can help to accelerate the adaptability of the changed schedules by offering ready integrable solutions for recurring problems. Moreover, it enables the enhancement of the CRPM included knowledge according to the evaluation through implementation. A case study that describes a real construction process is presented later in this work as a proof of the introduced concepts. This case study includes different scenarios that show several stations in the lifecycle of a CRPM of this process. Based on the presented results this research work contributes to the Business Process Management domain as well as to the Project Management domain and more specifically to the scheduling and risk management. It shows even that it is feasible to use concepts from the Business Process Management to develop new needed aspects for the construction project management.

3 Kurzfassung Die Erfahrungen im Baugewerbe haben gezeigt, dass meistens kein Bauprojekt wie geplant verläuft. Dynamische Änderungen sind in den verschiedenen Plänen des Projektmanagements häufig erforderlich. Diese Änderungen schreibt man der relativ hohen Unsicherheit in der Planungsphase des Bauprojekts zu. Die Unsicherheit kann als potentielle Ursache der Risiken eingeschätzt werden und diese Risiken können wiederum als potentielle Ursache der Änderungen in den Projektmanagementplänen (Ablauf, Kosten, Ressourcen, etc.) angesehen werden. Das aus verschiedenen Quellen gesammelte Wissen kann die Unsicherheit in der Planungsphase und folglich auch die Fehleranfälligkeit verringern. Dadurch werden weniger Änderungen in der Ausführungsphase des Projektes erforderlich. Das relevante Planungswissen soll in einer expliziten Weise dokumentiert werden, um dessen Nutzung und Wiederverwendung durch alle betroffenen Projektbeteiligten zu ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wird nur der Bauablaufplan als ein spezieller Projektmanagementplan betrachtet. Methoden zur Geschäftsprozessmodellierung werden in verschiedenen Industriezweigen erfolgreich angewendet, um das Prozesswissen in Form von Prozessmodellen zu dokumentieren, wiederzuverwenden und zu verbessern. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Konzepte der Geschäftsprozessmodellierung angewendet, um ein prozess-orientiertes Wissensmanagementsystem als einen sinnvollen Dokumentationsansatz für das Prozessablaufwissen zu erstellen. Allerdings ist es meistens unmöglich, einen spezifischen Prozess als exakten Arbeitsablauf in verschiedenen Projekten zu verwenden. Aus diesem Grunde ist ein gewisser Grad an Individualität bei jeder Verwendung eines Prozesses notwendig. Die standardisierte Prozessbeschreibung soll deshalb die erforderliche Flexibilität in ihrem Inhalt anbieten, damit sie für verschiedene Projektsituationen anwendbar ist. Der Ansatz dieser Arbeit liegt in der Nutzung konfigurierbarer Fragmente im Ablauf von Prozessen, die die Unsicherheit eines Prozesses ausdrücken. Die Flexibilität des Prozessmodells zeigt sich dadurch, dass die konfigurierbaren Fragmente in Abhängigkeit der vorherrschenden Bedingungen in den Prozessablauf einbezogen oder ausgeschlossen werden können. Die konfigurierbaren Fragmente sind generalisiert und auf Typ-Ebene als Konfigurationsmuster beschrieben. Eine allgemeine Struktur für das konfigurierbare Referenzprozessmodell (CRPM) wurde als Ontologiemodell vorgeschlagen. Die Konfigurationsmuster sind in diesem Ontologiemodell integriert, um die Flexibilität im Prozessablauf darzustellen. Das mit den Prozessdaten bestückte Ontologiemodell stellt eine prozess-orientierte Wissensbasis dar, in der die CRPMs die anvisierte Prozesswissenstruktur sind. Diese CRPMs können bei der Planung künftiger ähnlicher Prozessabläufe verwendet werden. Hierdurch wird ein erheblicher Planungsaufwand eingespart sowie die Qualität des Prozessablaufs, der aus dem CRPM abgeleitet ist, deutlich verbessert. Es wird eine Softwarearchitektur für ein prozess-orientiertes Wissensmanagementsystem vorgeschlagen, das die CRPM-Wissensbasis als Datenquelle im Hintergrund eines Management-Tools verwendet. Diese Software ist für ein besseres Lebenszyklus-Management (Entwurf, Retrieval, Selektion, Implementierung, und Verbesserung) der CRPMs vorgesehen. Diese Softwarearchitektur besteht aus den drei Schichten Daten-, Anwendungs-, und grafische Benutzeroberflächenschicht. Die Datenschicht besteht aus der Wissensbasis als globale CRPM-Datenquelle und lokalen Datenbanken, die die implementierten CRPMs- Instanzen speichern. Die Anwendungsschicht unterstützt die verschiedenen Stationen im CRPM- Lebenszyklus. Der gesamte Ansatz kann sowohl in der Planungsphase als auch in der Ausführungsphase eines Projektes angewendet werden. In der Planungsphase kann er (1) den Planungsprozess beschleunigen und trotzdem (2) mehr zuverlässige Prozessabläufe liefern. Außerdem kann der Ansatz angewendet werden, um (3) Waswenn-Szenarien durchzuführen, anhand derer die Auswirkungen spezifischer Situationen und Umstände überprüft werden können, ohne den Erfolg der Prozessziele zu gefährden. (4) Der Auslöser für jedes konfigurierbare Fragment stellt ein Risiko dar, das helfen kann, eine Risikocheckliste zu erstellen. Demzufolge können Projektrisiken auf der Basis projektrelevanter CRPMs identifiziert werden. In der Projektausführungsphase kann dieser Ansatz implementiert werden, um (1) die Anpassung geänderter Ablaufpläne schneller zu realisieren. Dies erfolgt durch die bereit gestellten integrierbaren Lösungen für wiederkehrende Probleme. (2) Durch das Feedback in der Ausführungsphase hilft der Ansatz auch das in den CRPM beinhaltete Wissen zu optimieren. Das stellt sicher, dass die CRPMs aktuell und zuverlässig sind. Im letzten Teil der Arbeit wird im Rahmen einer Fallstudie ein praktischer Bauprozess präsentiert, anhand dessen die Tauglichkeit des vorgeschlagenen Ansatzes überprüft wird. Diese Fallstudie umfasst verschiedene Szenarien, die mehrere Stationen im CRPM-Lebenszyklus darstellen. Basierend auf den vorgelegten Ergebnissen leistet diese Forschungsarbeit einen Beitrag auf den Gebieten des Geschäftsprozess- und Projektmanagements (insbesondere in der Ablaufplanung und dem Risikomanagement). Sie zeigt weiterhin, dass es möglich ist, Konzepte des Geschäftsprozessmanagements anzuwenden, um notwendige neue Aspekte für das Bauprojektmanagement zu erschließen.

4 Theses 1. In AEC a construction process is a repeated but mostly not identical course of action (semi structured), while a construction project is a unique composition of common construction processes (unstructured). 2. Hardly any construction project goes totally as planned, as relatively high uncertainty exists in the planning phase of a construction project. Consequently, management plans often have to be changed to suit the new project conditions. 3. The uncertainty can be evaluated as potential causes of risks in the project and risks can be in turn evaluated as potential causes of changes. 4. To reduce the uncertainty and, consequently, the error rate in the process planning and execution enough knowledge about the process and its environment should be available. 5. Relevant process knowledge should be documented in an explicit way to enable all the interested people to share and use their experiences properly. Business Process Modeling techniques offer the possibility to document, reuse, and enhance the process knowledge in the form of process models. 6. The uncertainty in the process course of action can be modeled as configurable fragments in the process model. The trigger of the fragment configuration is a risk with a status. The configuration of these fragments will cause changes in the process model by either the inclusion or the exclusion of the configurable fragment. 7. A configurable reference process model provides a compromise solution that solves the conflict between (1) the assumption that construction processes describe always unique objects and, therefore, these processes should be always designed from scratch in each usage and (2) the need to store and document the process knowledge as a standard reusable construction process. 8. Documented process knowledge in the form of configurable reference process models helps to (1) speed up the planning process and (2) to ensure getting more reliable process schedule plans. It helps also (3) to accelerate the adaptability of the changed schedule plans by offering ready integrable solutions for recurring problems. (4) As the triggers of configurable fragments are risks, they can be used as a part of the checklist for risk management. Accordingly, risks can be identified based on the project relevant configurable reference process models. 9. Ontology as a knowledge base is suitable as a repository for the configurable reference process models as it is not possible to assume complete information by the modeling of complex dynamic construction processes. Using an ontology will enable to link the used terms in the configurable reference process models and their semantics. 10. A configurable reference process model cannot cover all the exceptional situations that may affect a process as some interdependencies go beyond the process itself. Therefore, additional Ad-hoc changes may be needed in the planning and execution phases. As an example, spatial dependencies between the deliverables of a construction project may help to identify additional exceptions or conflicts that cannot be described within reference processes. 11. To realize these configurable reference process models in the building practice it is required from the construction companies to structure their knowledge in a process-oriented way. For this purpose, only qualified personnel should carry out the process modeling. Qualification means here that the modelers should possess enough knowledge concerning the construction process technical issues and the modeling issues. Anyway, it must be mentioned that the included knowledge in a configurable reference process model should be dealt with as a guidance to support the planner and not as a restriction to his individual ideas or as a replacement to his experience. 12. The procedures in the background of the configuration templates can be used to carry out the needed schedule changes more quickly than making them manually as usual.

5 Thesen 1. Ein Prozess im Bauwesen ist ein wiederkehrender, jedoch meist kein identischer Ablauf (teilstrukturiert), während ein Bauprojekt eine einmalige Komposition von üblichen Bauprozessen (unstrukturiert) ist. 2. Bauprojekte verlaufen selten vollständig wie geplant, da eine relativ hohe Unsicherheit in der Planungsphase des Bauprojekts existiert. Infolgedessen müssen Änderungen in verschiedenen Plänen durchgeführt werden, um sie an veränderte Randbedingungen anzupassen. 3. Die Unsicherheit kann als potentielle Ursache der Risiken eingeschätzt werden und die Risiken können wiederum als potentielle Ursache der Änderungen in den Projektplänen angesehen werden. 4. Um die Unsicherheit und folglich die Fehleranfälligkeit bei der Prozessplanung und Ausführung herabzusetzen, sollte genug Wissen über den Prozess und seine Umgebung vorhanden sein. 5. Relevantes Prozesswissen sollte in einer expliziten Weise dokumentiert werden, um dessen Nutzung und Wiederverwendung zu ermöglichen. Geschäftsprozessmodellierungsmethoden ermöglichen das Prozesswissen in Form von Prozessmodellen zu dokumentieren, wiederzuverwenden, und zu verbessern. 6. Die Unsicherheit im Prozessablauf kann in Form konfigurierbarer Fragmente im Prozessmodell abgebildet werden. Der Auslöser für jedes konfigurierbare Fragment ist ein Risiko mit Status. Die Konfiguration dieser Fragmente verursacht Änderungen im Prozessmodell, entweder durch Einbeziehung oder Ausschluss von Fragmenten. 7. Ein konfigurierbares Referenzprozessmodell bietet eine Kompromisslösung an, zwischen (1) der Annahme, dass Bauprozesse immer Unikate sind und (2) der Notwendigkeit Bauprozesswissen in Form von standardisierten wiederverwendbaren Prozessen zu dokumentieren. 8. Das als konfigurierbare Referenzprozessmodelle dokumentierte Prozesswissen hilft, um (1) den Planungsprozess zu beschleunigen und dennoch (2) mehr zuverlässige Prozessabläufe zu liefern. Es hilft weiterhin (3) die Anpassbarkeit geänderter Ablaufplänen schneller zu realisieren. Dies erfolgt durch die angebotenen integrierbaren Lösungen für wiederkehrende Probleme. Der Auslöser für jedes konfigurierbare Fragment in einem konfigurierbaren Referenzprozessmodell ist ein Risiko, (4) das helfen kann, eine Risikocheckliste zu erstellen. Demzufolge können Projektrisiken auf der Grundlage projektrelevanter konfigurierbarer Referenzprozessmodelle identifiziert werden. 9. Eine Ontologie als Wissensbasis ist ein geeigneter Datenbehälter für die konfigurierbaren Referenzprozessmodelle, da es nicht möglich ist, vollständige Informationen über komplexe dynamische Bauprozesse zu besitzen. Die Verwendung einer Ontologie ermöglicht die Verknüpfung zwischen den Begriffen der konfigurierbaren Referenzprozessmodelle und ihrer Semantik. 10. Ein konfigurierbares Referenzprozessmodell kann nicht alle Ausnahmefälle erfassen, die einen Prozess beeinflussen können, da einige Abhängigkeiten den Rahmen der Bauablaufprozesse sprengen. Deshalb können zusätzliche Ad-hoc Änderungen in der Planungs- oder Ausführungsphase notwendig sein. Beispielweise können räumliche Beziehungen zwischen den Produkten eines Bauprojektes helfen, um zusätzliche Ausnahmen oder Konflikte zu identifizieren, die in Referenzprozessmodellen nicht beschrieben werden können. 11. In der Baupraxis ist es noch erforderlich, dass die Bauunternehmen ihr Wissen in einer prozessorientierten Weise strukturieren, um solche konfigurierbaren Referenzprozessmodelle erstellen zu können. Qualifiziertes Personal, das umfangreiches Bauprozess- und Prozessmodellierungswissen hat, sollte diese Aufgabe übernehmen. Das in den konfigurierbaren Referenzprozessmodellen beinhaltete Wissen sollte als Empfehlung betrachtet werden, die dem Planer zur Verfügung steht um ihn bei seiner Aufgabe zu unterstützen. Es ist auf keinen Fall eine Restriktion seiner persönlichen Ideen oder ein Ersatz für seine Erfahrung. 12. Die Konfigurationsmusterprozeduren können angewendet werden, um die Ablaufänderungen schneller als die üblichen manuellen Anpassungen durchzuführen.

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