Martin Langlotz. Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung. Schriftenreihe VPE Band 10. Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner

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1 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner Martin Langlotz Konzept zur Unterstützung von Entscheidungsprozessen in der Produktentwicklung durch Product Lifecycle Management am Beispiel des Änderungswesens Schriftenreihe VPE Band 10 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner

2 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Herausgeber: Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner Postfach 3049 Technische Universität Kaiserslautern, Gebäude 44 D Kaiserslautern Verlag: Technische Universität Kaiserslautern Druck: Technische Universität Kaiserslautern Wissenschaftliche Werkstätten Abteilung Foto-Repro-Druck D-386 Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Kaiserslautern 2011 Alle Rechte vorbehalten, auch das des auszugsweisen Nachdrucks, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe (Photographie, Mikroskopie), der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und das der Übersetzung. Als Manuskript gedruckt. Printed in Germany. ISBN ISSN

3 Konzept zur Unterstützung von Entscheidungsprozessen in der Produktentwicklung durch Product Lifecycle Management am Beispiel des Änderungswesens Vom Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Technischen Universität Kaiserslautern zur Verleihung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Herrn Dipl.-Wirtsch.-Ing. Martin Langlotz aus Lampertheim Dekan: Prof. Dr.-Ing. Bernd Sauer Vorsitzender der Prüfungskomission: Prof. Dr.-Ing. Ralf Müller 1. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner 2. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Reiner Anderl Tag der mündlichen Prüfung: Kaiserslautern 2011 D-386

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5 Danksagung Diese Dissertation ist während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (Lehrstuhl VPE) der Technischen Universität Kaiserslautern entstanden. An dieser Stelle möchte ich allen Menschen danken, die mich im Promotionsprozess, dessen Ergebnis die Dissertation ist, unterstützt, begleitet und gefördert haben. Mein Dank gilt Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner, dem Inhaber des Lehrstuhls VPE. Prof. Dr.-Ing. Eigner hat mir nicht nur die Gelegenheit zur Promotion eröffnet und mich während der gesamten Zeit konstruktiv begleitet. In dieser wichtigen Phase meines Berufslebens war er auch ein Wegbereiter und Partner in gemeinsamen Projekten, wodurch ich meine beruflichen Kompetenzen in den letzten Jahren erweitern und weiterentwickeln konnte. Prof. Dr.-Ing. Eigner stiftet am Lehrstuhl VPE ein Klima, das die Entfaltung der Mitarbeiter in beruflichen Dingen ermöglicht und die privaten Kontakte untereinander fördert. Ich hatte das Glück, dass zwei Menschen den erfolgreichen Abschluss meines Promotionsverfahrens begleitet haben, die mir bereits auf den ersten Schritten in der Wissenschaft begegnet sind. Ich danke Prof. Dr.-Ing. Reiner Anderl, meinem zweiten Gutachter, und Prof. Dr.-Ing. Ralf Müller, dem Vorsitzenden der Prüfungskomission. Prof. Dr.-Ing. Anderl hat bereits in den ersten Semestern meine Begeisterung für den Themenbereich Virtuelle Produktentwicklung entfacht, dafür danke ich ihm. Prof. Dr.-Ing. Müller war Kollege am Fachgebiet für Mechanik in Darmstadt, wo ich als studentischer Mitarbeiter beschäftigt war. Ich danke ihm, stellvertretend für alle ehemaligen Kollegen, für diesen intensiven, positiven Erstkontakt zur Wissenschaft. Im Laufe der Promotion konnte ich mit einigen studentischen Mitarbeitern zusammenarbeiten und einige studentische, wissenschaftliche Arbeiten betreuen. Auf diesem Weg habe ich selber viel Unterstützung erfahren und danke daher den Studenten und den ehemaligen Studenten für die konstruktive Zusammenarbeit. Mein besonderer Dank gilt den Kollegen am Lehrstuhl VPE, mit denen gemeinsam ich viele spannende und nicht nur für die Promotion gesehen erfolgreiche Aufgaben, Projekte und Veröffentlichungen bearbeiten durfte. Mein Dank gilt den Kollegen Frau Ursula Aydt, Herrn Dr.-Ing. Fabrice Mogo Nem, Herrn Thorsten Hollerith,

6 Herrn Radoslav Zafirov, Herrn Torsten Gilz, Herrn Sebastian Sindermann, Herrn Willi Klein, Herrn Karl-Gerhard Faißt, Frau Aline Fehrenz und Herrn Patrick Schäfer. Mit einschließen möchte ich die ehemaligen Kollegen Herrn Roland Weidlich, Herrn Dr.-Ing. Michael Bitzer, Herrn Dr.-Ing. Florian Gerhardt, Herrn Dr.-Ing. Mathias Zagel, Frau Dr.-Ing. Bettina Schleidt, Frau Dr.-Ing. Krisztina Szeghö und Herrn Niklas Hochstein. Es macht Spaß, mit euch zu arbeiten und mit euch zu feiern! Meinen Eltern, Helmut und Christel Langlotz, danke ich für das Rüstzeug, das sie mir mitgegeben haben sowie für den Rückhalt, den ich bei Ihnen durchgehend erfahre. Der Großfamilie sei ein Dank, dass sie mich trägt. Insbesondere danke ich Herrn Jens Gehron, Frau Anke Gehron und Herrn Alexander Böhm für die Unterstützung bei der Finalisierung der Dissertation. Abschließend danke ich meiner lieben Frau Nicole. Sie ist den Promotionsprozess mit mir gegangen und hat mich dabei auf vielfältige Weise unterstützt. Martin Langlotz Bensheim-Zell, den 30. Mai 2011

7 Abstract Product engineering is organized in distributed projects involving many partners in the supply chain. Multiple engineering disciplines contribute, ensuring the overall product functionalities. Requirements stemming from the whole product lifecycle, as well as the impacts a product causes during its whole lifecycle, need to be considered already in the early phases of product engineering. In the course of product engineering, also a lot of decisions need to be met. Decision making in such distributed product engineering projects requires in many cases complex information processing and much coordination works. Hence, complex decision processes are necessary, meaning the informational processes in preparation of decisions. Many decisions related to product engineering can not be met by single actors. Rather, a lot of actors need to be involved. Also a lot of information needs to be considered. A study that has been compiled at the Institute of Virtual Product Engineering (Institute VPE) has shown that administrative tasks like documentation, search for information or team communication cost a high share of an engineers daily work time compared to the small time share of approximately 25% that is left to work on core professional tasks [Sch09]. Due to the lack of time and the high uncertainty about how to proceed in decision processes, decision makers are often not able to prepare decisions in an optimal manner. Many decisions are repeated frequently following similar principles, while the decision processes do differ in some details. Experiences made during past decision processes could therefore potentially be leveraged in order to prepare future decisions. This requires the provision of appropriate concepts, methods and IT-systems. However, the concepts, methods and IT-systems that are available for the assistance of product engineering nowadays have not been used so far for the support of decision processes. They are not well integrated into those processes but mostly focus on the support of single tasks. Concepts available are, amongst others, Product Lifecycle Management (PLM), Knowledge Management (KM) and Workflowmanagement (WfM). All of these concepts do also include certain methods and IT-systems applicable for their operationalization. Regarding PLM it can be noted that the functionality available in ITsolutions for PLM, so called PLM-solutions, is able to guide the users during decision processes only to a very limited extent. Retrieval, selection, collection and evaluation of the information needed as a foundation for decisions are mainly done by humans exploring several information sources in order to prepare decisions [EL09]. Most Knowledge Management activities aiming at the support of product engineering do fail, as they are not well linked to the operative tasks of the engineers but have a rather strategic scope [PRR10]. One reason is that decision processes in product engineering have not been represented so far and no adequate methods

8 for their representation are available [SMP09, Sie07]. WfM enables the automation of business processes in whole or in part. Users can get assistance during the enactment of workflows. But the existing WfM-systems (WfMS) are not applicable for decision processes, since decision processes can not be standardized and require a high level of flexibility and variablity during modeling and enactment [ELMN10]. In summary, decision processes can not be supported systematically today. They are neither planned in advance nor documented. Therefore, they can not be reproduced. This prevents the learning from experiences made in the past. New solutions are required that can offer process-oriented support for decision makers. Decision makers shall remain responsible for decision making! Therefore not a fully automized decision support is sensible, but supporting functionalities should include the guidance through the decision processes and the automated derivation and presentation of necessary information as foundation for decision making. In the thesis, following an analysis of the state of the art and the state of research, a solution concept is being elaborated and examplified for the application area of engineering change management (ECM). Doing so, three objectives are followed. The main objective is to enable the management of decision processes. This is a precondition for the other objectives. The second objective is to enable the further development of role based desktops that can guide the users in their decision processes. The third objective is to enable the visualization of the decision base, meaning the information elements necessary in order to prepare a decision. The provided solution concept is based on existing business process management technologies and extends them in order to support decision processes in engineering. It is representable in PLM-solutions, extending the existing product- and process-models. It enables the process-oriented Knowledge Management. The solution concept includes in total 13 concepts for the capturing of decision processes, for the assistance in decision processes as well as for the modelling and representation of decision processes. Amongst others a concept for the capturing of decision processes and the definition of decision process patterns is being described. The concepts for the decision logic enable the formalization of the relations between decision processes, parameters describing the context of decision situations and the engineering processes. The resulting decision logic is extendible by the user in oder to achieve an open configuration. The decision logic allows the retrieval of relevant decision process patterns from a library. These can be enacted in order to prepare pending decisions, which enables the decision makers to learn from past experiences. Finally a framework for modeling and deploying decision processes in engineering and a data model are being proposed, in order to prepare the implementation of the solution concept. The framework for modeling and deploying decision processes in engineering is depicted in Figure 1.

9 Figure 1: Framework for modeling and deploying decision processes in engineering [ELMN10] Two prototypical implementations of parts of the solution concept are being described. The first prototype has been implemented in the WfMS that is part of the PDM-system Aras Innovator. It demonstrates the basic functionalities for the management of the decision process. The second prototype includes most of the concepts. It has been implemented mostly in the Engineering Networks Modeller (ENMo), which is a plattform for modelling and enacting product and process data. ENMo has been elaborated at the Institute VPE (see [MN11]). Both implementations are based on realistic scenarios for the support of decisions in ECM. While the first prototype is based on reference processes, the second one is based on a real life scenario that has been elaborated in cooperation with one of the industrial partners of the Institute VPE. The prototypical implementations prove, that the solution concept is technically feasible. The solution concept and the prototypical implementations have been evaluated with positive results regarding the objectives as well as technical and general requirements. Further research activities for the future development of the solution concept and for the development of solution concepts for other application areas are being proposed.

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11 Zusammenfassung Die Entwicklung von Produkten erfolgt in unternehmens-, disziplinen- und lebenszyklusphasenübergreifend vernetzten Wertschöpfungsketten. Dabei werden viele Entscheidungen getroffen. Den Entscheidungen gehen Entscheidungsprozesse voraus, in denen Informationen beschafft, Meinungen eingeholt und Abwägungen vorgenommen werden. Entscheidungsträger sind häufig auf Grund von Zeitproblemen und fehlender Sicherheit über das Vorgehen im Entscheidungsprozess nicht in der Lage, Entscheidungen optimal vorzubereiten. Viele Entscheidung werden immer wiederkehrend nach ähnlichen Prinzipien getroffen, auch wenn sie sich im Detail unterscheiden. Erfahrungen aus vorangegangenen Entscheidungsprozessen könnten für die Vorbereitung von anstehenden Entscheidungen genutzt werden. Heute zur Unterstützung der Produktentwicklung verfügbare Konzepte, Methoden und IT-Systeme sind aber kaum in die Prozesse der Produktentwicklung eingeordnet. Insbesondere die Entscheidungsprozesse können heute nicht systematisch unterstützt werden. Sie werden weder geplant noch dokumentiert und sind im Nachhinein nicht nachvollziehbar. Das verhindert ein kontinuierliches Lernen aus Erfahrungen. Benötigt werden neue Lösungen, um Entscheidungsträgern in ihrem Entscheidungsprozess Unterstützung anzubieten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit solchen Entscheidungen im Rahmen der Produktentwicklung, die als strukturierbarer Entscheidungsprozess ablaufen. Sie werden identifiziert und es wird ein Konzept zu deren prozessorientierter Unterstützung vorgeschlagen. Kerngedanke ist die Erweiterung der Prozessbetrachtung in der Produktentwicklung um Entscheidungsprozesse. Entscheidungen sollen nicht automatisch getroffen werden! Vielmehr sollen Entscheidungsträger Unterstützung in ihrem Entscheidungsprozess dadurch erhalten können, dass ihnen sinnvolle Aktivitäten zur Vorbereitung von anstehenden Entscheidungen vorgeschlagen werden. Weiterhin sollen erforderliche Informationen teilautomatisch ermittelt und angezeigt werden. Entscheidungsmodelle sollen in PLM-Lösungen repräsentiert werden. Aufbauend auf einer Analyse der Ausgangssituation erfolgt die Lösungskonzeption am Beispiel des Anwendungsbereichs Änderungswesen. Hauptziel ist die Ermöglichung des Entscheidungsprozessmanagements. Nebenziele sind die Ermöglichung der Weiterentwicklung von rollenbasierten Arbeitsplätzen für die Produktentwicklung und die Ermöglichung der Visualisierung der Entscheidungsbasis. Das integrative Lösungskonzept beinhaltet insgesamt 13 Teilkonzepte zur Erfassung von Entscheidungsprozessen, zur Unterstützung in Entscheidungsprozessen und für die Modellierung und Repräsentation von Entscheidungsprozessen. Aufbauend auf dem Lösungskonzept werden als Basis für die Evaluation zwei prototypische Umsetzungen für realistische Entscheidungsunterstützungsszenarien im Änderungswesen beschrieben.

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13 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis i v xi xiii 1 Einleitung Motivation Gegenstand und Ziele der Arbeit Vorgehen und Aufbau der Arbeit Begriffsdefinitionen und Grundlagen Produktentwicklung Produkt und Produktentwicklung im Produktlebenszyklus Gestaltungsbereiche der Produktentwicklung Einschränkung des Betrachtungsbereichs Product Lifecycle Management Strategisches Product Lifecycle Management Konzept Product Lifecycle Management - Lösungen Funktionalitäten Prozesse in der Produktentwicklung Strukturierung von Prozessen und Entscheidungsprozessen Anwendungsbeispiel Änderungsprozess Entscheidungstheorie Präskriptive und Deskriptive Entscheidungstheorie Entscheidungsmodelle Allgemeiner Entscheidungsprozess Wissensmanagement Wissen und Wissensarten Prozessorientiertes Wissensmanagement i

14 ii Inhaltsverzeichnis Business Intelligence - Systeme Beziehung von Wissensmanagement zum Product Lifecycle Management Entscheidungsprozesse in der Produktentwicklung Referenzmodell für Entscheidungsprozesse der Produktentwicklung Entscheidungen in der Produktentwicklung Klassifikation von Entscheidungen in der Produktentwicklung Elemente von Entscheidungsprozessen Entscheidungsbasis Allgemeines Kontextmodell Anforderungsermittlung Fachliche Anforderungen Umsetzungsorientierte Anforderungen Ausgangssituation und Handlungsbedarf Lösungsbereiche Erfassung von Entscheidungsprozessen Referenzprozessansatz Änderungs- und Freigabewesen Prozessanalyse und -modellierung Implizite Unterstützung von Entscheidungsprozessen Unterstützung in Entscheidungsprozessen Fachorientierte Ansätze zur Informationsstrukturierung Rollenbasierter Arbeitsplatz Modellierung und Repräsentation von Entscheidungsprozessen Implementierungsnahe Ansätze zur Informationsstrukturierung Geschäftsprozessmanagement Integrative Konzepte Design Rationale Trends von PLM-Anbietern Process based support system (PROSUS) Signposting Produkt + Prozess + Konfiguration (Pro2Kon) Regelbasierte Prozessplanung und -durchführung ForFlow Handlungsbedarf Zwischenfazit zur Ausgangssituation Ermittelte Potenziale und Ziele für die Lösungskonzeption

15 Inhaltsverzeichnis iii 5 Lösungskonzept Überblick Lösungskonzept Kernproblem der Forschung für das Lösungskonzept Wirkungsweise des Lösungskonzepts Technische Anforderungen an die Entscheidungsprozessunterstützung Übersicht der Teilkonzepte des Lösungskonzepts Erfassung von Entscheidungsprozessen Prozess in der Produktentwicklung Kontextmodell für das Änderungswesen (Fach-Konzept) Erfassung von Entscheidungsprozessen für die Definition von Initialen Referenzmustern Unterstützung in Entscheidungsprozessen Entscheidungslogik für die Vorauswahl von Referenzmustern für Entscheidungsprozesse (Fach-Konzept) Kriterienmodell für die Anzeige von Referenzmustern für Entscheidungsprozesse Ausführung von Entscheidungsprozessen Grafische Benutzerschnittstelle Modellierung und Repräsentation von Entscheidungsprozessen Rahmenkonzept für die Modellierung und Repräsentation von Entscheidungsprozessen Kontextmodell für das Änderungswegen (DV-Konzept) Entscheidungslogik für die Vorauswahl von Referenzmustern für Entscheidungsprozesse (DV-Konzept) Entscheidungsdatenmodell Entscheidungsprozessmodellierungssprache Architekturkonzept Zwischenfazit zum Lösungskonzept Prototypische Umsetzungen Prototyp Entscheidungsprozesssteuerung Szenariobeschreibung Wirkungsweise des Assistenzsystems Implementierung des Assistenzsystems Prototyp Entscheidungsprozessunterstützung Szenariobeschreibung Wirkungsweise des Assistenzsystems Implementierung des Assistenzsystems

16 iv Inhaltsverzeichnis 6.3 Zwischenfazit zu den Prototypischen Umsetzungen Evaluation des Lösungskonzepts Technische Evaluation Fachliche Evaluation Ansatzpunkte für Erweiterungen Optimierung von Lösungskonzept und Prototypen Konzeptionelle Erweiterung des Lösungskonzepts Fazit zum Lösungskonzept Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick A Prototyp Entscheidungsprozessunterstützung: Vollständige Prozesse 235 B Studien- und Diplomarbeiten 241 Literaturverzeichnis 243

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18 Schriftenreihe VPE bereits veröffentlicht wurden 1 Zagel, M.: Übergreifendes Konzept zur Strukturierung variantenreicher 30, Produkte und Vorgehensweise zur iterativen Produktstruktur-Optimierung. 2006, ISBN ; Helling, H.: Konzept eines integrierten Produkt- und Prozessmodells 30, zur effizienten Steuerung der Entwicklungsreife am Beispiel der Automobilentwicklung. 2007, ISBN Tagungsband Jahrestagung , Berliner Kreis Wissenschaftliches Forum für Produktentwicklung e.v.: Mechatronik Die Herausforderung an Integration im Produktentstehungsprozess. 2008, ISBN Maletz, M.: Integrated Requirements Modeling 30, A Contribution towards the Integration of Requirements into a Holistic Product Lifecycle Management Strategy. 2008, ISBN Panzer, J.: Referenzmodell für den kooperativen 30, Simulationsdatenaustausch Vorgehensmodell zur Erstellung des Referenzmodells. 2008, ISBN Bitzer, M.: Entwicklung einer Methode zur prozessorientierten 30, Planung und Optimierung von Product Lifecycle Management Lösungen am Beispiel der Automobilindustrie. 2008, ISBN Schleidt, B.: Kompetenzen für Ingenieure in der 30, unternehmensübergreifenden virtuellen Produktentwicklung. 2009, ISBN Gerhardt, F.: Supporting Virtual Product Engineering Processes by 30, Integrating a Neutral, Lightweight and CAD-Derived Data Format. 2010, ISBN Mogo Nem, F.: Engineering Networks 30, Holistic approach for multidisciplinary Product Lifecycle Management. 2011, ISBN Langlotz, M., Konzept zur Unterstützung von Entscheidungsprozessen 30, in der Produktentwicklung durch Product Lifecycle Management am Beispiel des Änderungswesens 2011, ISBN

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