Eine Übersicht zum Scheduling von Baustellen

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1 T. Hanne Eine Übersicht zum Scheduling von Baustellen Berichte des Fraunhofer ITWM, Nr. 74 (2005)

2 Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM 2005 ISSN Bericht 74 (2005) Alle Rechte vorbehalten. Ohne ausdrückliche, schriftliche Gene h mi gung des Herausgebers ist es nicht gestattet, das Buch oder Teile daraus in irgendeiner Form durch Fotokopie, Mikrofilm oder andere Verfahren zu reproduzieren oder in eine für Maschinen, insbesondere Daten ver ar be i- tungsanlagen, verwendbare Sprache zu übertragen. Dasselbe gilt für das Recht der öffentlichen Wiedergabe. Warennamen werden ohne Gewährleistung der freien Verwendbarkeit benutzt. Die Veröffentlichungen in der Berichtsreihe des Fraunhofer ITWM können bezogen werden über: Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM Gottlieb-Daimler-Straße, Geb Kaiserslautern Germany Telefon: +49 (0) 6 31/ Telefax: +49 (0) 6 31/ Internet:

3 Vorwort Das Tätigkeitsfeld des Fraunhofer Instituts für Techno- und Wirt schafts ma the ma tik ITWM um fasst an wen dungs na he Grund la gen for schung, angewandte For schung so wie Be ra tung und kun den spe zi fi sche Lö sun gen auf allen Gebieten, die für Techno- und Wirt schafts ma the ma tik be deut sam sind. In der Reihe»Berichte des Fraunhofer ITWM«soll die Arbeit des Instituts kon ti - nu ier lich ei ner interessierten Öf fent lich keit in Industrie, Wirtschaft und Wis sen - schaft vor ge stellt werden. Durch die enge Verzahnung mit dem Fachbereich Mathe ma tik der Uni ver si tät Kaiserslautern sowie durch zahlreiche Kooperationen mit in ter na ti o na len Institutionen und Hochschulen in den Bereichen Ausbildung und For schung ist ein gro ßes Potenzial für Forschungsberichte vorhanden. In die Bericht rei he sollen so wohl hervorragende Di plom- und Projektarbeiten und Dis ser - ta ti o nen als auch For schungs be rich te der Institutsmitarbeiter und In s ti tuts gäs te zu ak tu el len Fragen der Techno- und Wirtschaftsmathematik auf ge nom men werden. Darüberhinaus bietet die Reihe ein Forum für die Berichterstattung über die zahlrei chen Ko o pe ra ti ons pro jek te des Instituts mit Partnern aus Industrie und Wirtschaft. Berichterstattung heißt hier Dokumentation darüber, wie aktuelle Er geb nis se aus mathematischer For schungs- und Entwicklungsarbeit in industrielle An wen dun gen und Softwareprodukte transferiert wer den, und wie umgekehrt Probleme der Praxis neue interessante mathematische Fragestellungen ge ne rie ren. Prof. Dr. Dieter Prätzel-Wolters Institutsleiter Kaiserslautern, im Juni 2001

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5 Eine Übersicht zum Scheduling von Baustellen 1 Thomas Hanne Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik Abteilung Optimierung Gottlieb-Daimler-Str. 49, D Kaiserslautern SCHLÜSSELWÖRTER Projektplanung, Scheduling, Bauplanung, Bauindustrie. ZUSAMMENFASSUNG Im diesem Dokument werden Aspekte der formalen zeitlichen Planung bzw. des Scheduling für Bauprojekte anhand ausgewählter Literatur diskutiert. Auf allgemeine Aspekte des Scheduling soll dabei nicht eingegangen werden. Hierzu seien als Standard-Referenzen nur Brucker (2004) und Pinedo (1995) genannt. Zu allgemeinen Fragen des Projekt- Managements sei auf Kerzner (2003) verwiesen. Im Abschnitt 1 werden einige Anforderungen und Besonderheiten der Planung von Baustellen diskutiert. Diese treten allerdings auch in zahlreichen anderen Bereichen der Produktionsplanung und des Projektmanagements auf. In Abschnitt 2 werden dann Aspekte zur Formalisierung von Scheduling-Problemen in der Bauwirtschaft diskutiert, insbesondere Ziele und zu berücksichtigende Restriktionen. Auf eine mathematische Formalisierung wird dabei allerdings verzichtet. Abschnitt 3 bietet eine Übersicht über Verfahren und grundlegende Techniken für die Berechnung von Schedules. In Abschnitt 4 wird ein Überblick über vorhandene Software, zum einen verbreitete Internationale Software, zum anderen deutschsprachige Branchenlösungen, gegeben. Anschließend werden Schlussfolgerungen gezogen und es erfolgt eine Auflistung der Literaturquellen. 1 Diese Studie wurde im Rahmen des Forschungslab»Produktionsplanung für regionale KMU«unter Mitwirkung der Projektpartner FSM! GmbH und Horst Zimmermann GmbH erstellt. Wir danken den Herren Heil und Zimmermann für die interessanten und fruchtbaren Diskussionen zum Thema Scheduling. Das Forschungslab ist Teil der mathematischen Forschungsplattform für regionale kleinere und mittlere Unternehmen (KMU), deren Aufbau mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und aus Mitteln des Landes Rheinland-Pfalz gefördert wurde.

6 KEYWORDS Project planning, scheduling, construction planning, construction industries. ABSTRACT In this study, aspects of formal temporal planning and scheduling of construction projects are discussed in the context of selected publications. General aspects of scheduling shall not be treated here. Instead we refer to the standard references Brucker (2004) and Pinedo (1995). With respect to general aspects of project management we refer to Kerzner (2003). In Section 1, some general requirements and particularities of the planning of construction sites are discussed. However, most of them occur in other fields of production planning and project management as well. In Section 2, aspects of formalizing scheduling problems (while abstaining from a mathematical specification) in the construction industries are discussed, especially objectives and restrictions to be considered. Section 3 provides a survey of methods and basic approaches for calculating schedules. In Section 4, available software on the international market and business software specific to German construction companies are surveyed. Finally, some conclusions are given and the references are listed.

7 Inhalt 1. Anforderungen und Besonderheiten einer formalen Baustellen-Planung Kritische Pfade Ressourcenplanung Unsichere Information Interaktivität Rescheduling / Aktualisierung von Plänen Dezentrale Planung Multikriterielle Planung Zur Formalisierung von Scheduling-Problemen in der Bauwirtschaft Typische Restriktionen Typische Zielformulierungen Optimierungs- und Scheduling-Verfahren Einfache Regeln / Dispatching-Rules Quasi-enumerative Techniken Metaheuristiken Constraint-Based Scheduling Wissensbasierte Systeme Einsatz von Simulationstechniken Software-Übersicht International verbreitete Software zur Projektplanung Aldergraf (Timesketch) (AlderGraf Systems, Inc.) Artemis (Artemis Views) (Artemis International Solutions Corporation) FastTrack Schedule Version 6.0 (AEC Software Inc.) IFS/Constraint-Based Scheduling (IFS) MS-Project (Microsoft) Open Plan (Welcom Software Technology Corporation) PMS-80 (Pinnell-Busch, Inc. bzw. Pinnell Engineering, Inc) Primavera P3e (Primavera Systems, Inc.) ConstructionOffice Scheduling 2004 (UDA Technologies) Bauplanungs-Software im deutschsprachigem Raum ASTA PowerProject und EasyProject (ASTA Development GmbH) Balken! (Kölsch & Konsorten) Bau für Windows (Nemetschek Bausoftware GmbH) Bau-SU für Windows (Bau-SU) Baustellen-Management (Deutsches Baurechenzentrum) BauZEIT win (TOMS Ing.-Büro) Bauzeiten-Manager (COSOBA) esi-bau (sidata.com GmbH) goit!bau (GOIT GmbH) MOS'aik (Moser GmbH & Co.KG) pro-plan (gripsware) ProjektPro (mair pro GmbH) Rillsoft Project 1.0 (Rillsoft) SJ PROMA (SJ Software GmbH) Visoft (Visoft AG) zeit+termin (untermstrich) Schlussfolgerungen Literatur...28

8 1. Anforderungen und Besonderheiten einer formalen Baustellen-Planung 1.1 Kritische Pfade Die Ermittlung kritischer Pfade, d.h. einer Folge voneinander abhängiger Aufgaben, die eine kürzeste Dauer für ein Projekt definieren, stellt eine wichtige Aufgabe im Rahmen der Projektplanung dar. Kritische Pfade werden typischerweise mit Methoden der Netzplantechnik ermittelt. Gebräuchliche Verfahren in diesem Bereich sind zum Beispiel CPM (Critical Path Method) und PERT. Diese Methoden sind nicht sehr aufwendig in Bezug auf die erforderlichen Berechnungen. Ein wesentlicher Nachteil ist, dass diese Ansätze in der Grundform keine Ressourcenplanung unterstützen und daher nur unter sehr vereinfachten Annahmen für reale Projekte eingesetzt werden können bzw. dass eine Ressourcenplanung unabhängig von der Ermittlung eines Schedules zu erfolgen hat. Kritische Pfade mögen ausreichend sein, wenn nur ein geringer Detaillierungsgrad der Planung gewünscht ist oder wenn ein Projekt ein bestimmtes Budgetvolumen nicht übersteigt (vgl. New Jersey Department of Transportation (2001)), für weitergehende Untersuchungen ist eine solche Analyse aber üblicherweise ungenügend. Eine kritische Betrachtung von CPM im Zusammenhang mit Fragestellungen der Bauplanung findet sich in Sriprasert und Dawood (2002). 1.2 Ressourcenplanung Ressourcenplanung ist ein wichtiges, praxisrelevantes Thema im Zusammenhang mit Scheduling. In Hendrickson (2003) wird Ressourcenplanung als eines der drei zentralen Charakteristika beim Scheduling von realen Bauprojekten genannt. In vielen Fällen ist die Zuordnung von Ressourcen zu Aufgaben (task assignment) nämlich nicht fest vorgegeben und es besteht eine Konkurrenz der verschiedenen Aufgaben um knappe Ressourcen. Aus diesen Situationen resultiert oft, je nach konkreter Problemstellung, ein komplexes, häufig NP-schweres Optimierungsproblem, welches üblicherweise nicht in akzeptabler Zeit optimal gelöst werden kann. Für derartige Problemstellungen sind einfache oder komplexe Heuristiken (vgl. unten) aber vielfach hinreichend gut in der Ermittlung einer Näherungslösung. Insbesondere Metaheuristiken wie z.b. evolutionäre Algorithmen haben sich hier für eine Vielzahl von Problemen als robuste Optimierungstechniken etabliert. Allgemeine Problemstellungen der Ressourcen-Planung in Unternehmen werden häufig unter den Termini ERP Enterprise Ressource Planning geführt. Entsprechende Software wird manchmal als APS Advanced Planning System bezeichnet. Oft werden hierbei Probleme des Supply Chain Managements mitberücksichtigt. Insgesamt muss festgestellt werden, dass eine klare Abgrenzung zwischen Scheduling und solchen Systemen oftmals nicht möglich ist. 1.3 Unsichere Information Ein zentrales Problem in der Planung von Baustellen, aber auch in anderen Bereichen des Projektmanagements stellen unsichere Informationen dar. Der gebräuchlichste Ansatz in Bezug auf die Berücksichtigung von Unsicherheiten liegt in der stochastischen Modellierung. Hierbei werden verschiedenen möglichen Ausprägungen (Ereignissen), z.b.

9 der Dauer von Aufgaben, Wahrscheinlichkeiten zugeordnet. In Bezug auf eine stochastische Analyse ist ein umfangreiches Repertoire an theoretischen und praktischen Ansätzen vorhanden. Ein verbreitetes Problem bei der Nutzung einer solchen Analyse liegt in der Schwierigkeit, den Ereignissen eine konkrete Wahrscheinlichkeitsverteilung zuzuordnen. Einführungen in das stochastische Scheduling findet man z.b. in den Arbeiten von Schopf und Berman (1999) sowie Nino-Mora (2001). Ein mittlerweile ebenfalls weit verbreiteter Ansatz in der Berücksichtigung unsicherer, oder besser gesagt unscharfer Information besteht in der Fuzzy Set-Theorie. Hierbei wird jedem Element einer Menge ein Unschärfegrad (eine Zahl zwischen 0 und 1) zugeordnet. Eine typische Anwendung im Bereich der Entscheidungstheorie besteht z.b. darin, dass man einen sanften Übergang zwischen Präferenz und Nichtpräferenz zugrunde legt. Auch ist es mit einem solchen Konzept möglich, ansonsten strikte Restriktionen aufzuweichen. Typische Fuzzyfizierungen bei Scheduling-Problemen betreffen z.b. die Zeiten für Aktivitäten oder von Lieferterminen. Die letzte umfassende Bibliographie zum Fuzzy Scheduling von Slany (1994) ist leider bereits über 10 Jahre alt, aber umfasst 358 entsprechende Veröffentlichungen bis Mitte der neunziger Jahre. Drei sehr praktikable Ansätze zum Umgang mit Unsicherheiten werden in Hendrickson (2003) überblicksartig vorgestellt. Ein verbreiteter Ansatz besteht in der Nutzung der stochastischen Netzplantechnik PERT. Dabei werden für jede Aktivität 3 Zeitschätzungen verwendet, eine optimistische, eine pessimistische und eine wahrscheinlichste Dauer. Für die Zeiten wird dabei eine Beta-Verteilung angenommen. Basierend auf diesen Zeitverteilungen für die Einzelaktivitäten können dann entsprechende Werte für einen Schedule ermittelt werden. Ein anderer Ansatz besteht in der Monte Carlo-Simulation eines Scheduling-Problems (vgl. Hendrickson (2003)). Danach werden für bestimmte Größen, hier üblicherweise die Aktivitätsdauern, Zufallsverteilungen angenommen. Gemäß dieser Verteilungen werden mehrere deterministische Varianten des Scheduling-Problems berechnet, für die dann jeweils Lösungen ermittelt werden. Bei einem solchen Absatz sollte bei der Berechnung der Zufallsvariablen für einzelne Aktivitäten berücksichtigt werden, dass diese in der Realität häufig korreliert sind. Ein weiterer Ansatz besteht in der expliziten Konstruktion von verschiedenen Szenarien, für die dann jeweils Scheduling-Lösungen ermittelt werden. Dieser Ansatz lässt oft bessere average- oder worst case-abschätzungen zu, da hierbei die Abhängigkeiten zwischen Aktivitäten explizit berücksichtigt werden können bzw. müssen. 1.4 Interaktivität Interaktivität ist ein wichtiges Thema in der Diskussion um die Anwendung von Scheduling- Techniken in der Praxis. Auf der einen Seite gibt es (durchaus begründete) Skepsis gegenüber automatisch generierten Projektplänen und man möchte Einwirkungsmöglichkeiten für den Anwender bereithalten. Auf der anderen Seite ist man natürlich froh über die Möglichkeit eines automatischen Scheduling, welches früher bei manueller Planung sehr viel Arbeit gemacht hat. Ideal wäre es also demnach eine interaktive Planung und ein automatisches Scheduling miteinander zu verbinden. In

10 verschiedenen Arbeiten werden Möglichkeiten einer solchen Konzeption diskutiert, z.b. in Higgins (1993), Higgins (1995) und Higgins und Wirth (1997), die in diesem Zusammenhang auch von hybriden Systemen sprechen. Interaktivität in Verbindung mit einer grafischen Oberfläche ist mittlerweile eine Standard- Technik in vielen Software-Paketen (vgl. unten). Hierbei ist gelegentlich eine drag&drop- Funktionalität basierend auf Gantt-Diagrammen gegeben. Aktivitäten (Balkensegmente) können so hin- und hergeschoben werden. Abhängigkeiten zwischen Aktivitäten lassen sich mit der Maus durch ein Verbinden der entsprechenden Balkenenden einzeichnen. 1.5 Rescheduling / Aktualisierung von Plänen Die Besonderheiten der Bauwirtschaft bringen es mit sich, dass es aufgrund von Unwägbarkeiten auch bei sorgfältiger Planung vorkommen kann, dass diese revidiert werden muss. Daher sollte eine entsprechend zu nutzende Software ein geeignetes Rescheduling unterstützen. Nicht nur aufgrund der rechnerischen Performance sollten dabei bereits erfasste Planbestandteile, soweit möglich, nicht umgeplant werden. Es sollte also kein komplett neuer Schedule bei kleineren Änderungen an Projektparametern berechnet werden. Aus Benutzersicht wäre es etwa wünschenswert Planbestandteile zu fixieren, so dass diese bei einem Rescheduling nicht mehr umgeplant werden dürfen. So etwas kann z.b. notwendig sein, wenn für ein geplantes Arbeitspaket bereits zeitlich abgestimmte Maßnahmen für dessen Ausführung getroffen wurden. Generell sollten Veränderungen am bisherigen Plan minimiert werden. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einem zu beschränkenden Ripple-Effekt (plätschern, leichte Reaktion). Einfache Ansätze zu einem Rescheduling können im Einfügen von neuen Aktivitäten und der entsprechenden Verschieben bisheriger bestehen. Ein solche Vorgehensweise kann z.b. Prioritäten von Aktivitäten unterstützen (vgl. Akkan (1998)). Rescheduling-Ansätze können dabei grundsätzlich OR- oder AI-orientiert sein und verschiedene Kriterien bei der Umplanung berücksichtigen (Akkan (1997)). Einen breiten Literatur-Überblick zum Rescheduling und damit verbundene Fragestellungen bieten Herrmann (2001) und Vieira, Herrmann und Lin (2003). Der allgemeine Eindruck aus dieser Studie ist, dass obwohl Rescheduling ein Schlüsselaspekt in vielen Bereichen der Anwendung ist, immer noch eine eher eklektische Forschung von einzelnen Aspekten in diesem Bereich vorherrscht. Eine Umfassende Bearbeitung dieser Thematik fehlt immer noch. Eine wichtige Rolle bei der Untersuchung von Rescheduling-Techniken (z.b. auch der Frage, wann ein Rescheduling ausgelöst werden soll) spielt die Performance des Rescheduling (vgl. Vieira, Herrmann und Lin (2000)). 1.6 Dezentrale Planung Das Thema eines verteilten bzw. hierarchischen Scheduling ist in der Literatur bislang nur gelegentlich untersucht worden. In den Veröffentlichungen spielen organisatorische Aspekte, Kommunikationsaspekte und technische Aspekte z.b. die Optimierung betreffend

11 eine Rolle. Sauer (1998) stellt ein Scheduling-System für die verteilten Standorte eines Unternehmens dar. Wichtig ist die Unterstützung von Dezentralität allgemein, wenn unterschiedliche Entscheidungsträger an der Planung mitwirken. Eine ideale Möglichkeit einer dezentralen Planung ist der Zugriff über das Internet. Damit kann Nutzern an verschiedenen Standorten und auch bei mobiler Position (z.b. über WLAN) ermöglichet werden, auf Schedules zuzugreifen und diese auch zu ändern. Grundsätzlich kann bei diesem Ansatz von einem zentralen Scheduler ausgegangen werden, der einen dezentralen Zugriff bietet. Wichtige Voraussetzung für ein effizientes Arbeiten ist dabei die Berücksichtigung von unterschiedlichen Benutzerrechten. Zum Beispiel können bestimmte Nutzer nur lesend zugreifen, andere nur bestimmt Jobs eintragen können, während der Administrator vollständigen Zugriff auf das Scheduling hat. Ein interessanter Spezialbereich, in dem hierarchisches Scheduling eine erhebliche Bedeutung besitzt, ist das Scheduling von Rechnern in einem komplexen Netzwerk (vgl. etwa Sabin et al. (2003)). In der Regel wird hierbei davon ausgegangen, dass ein Rechner bzw. die Rechner an einem Standort über einen lokalen Scheduler verfügen. Innerhalb eines größeren Netzes (z.b. eines Grids) ist ein direktes Scheduling aufgrund von Rechten und Latenzzeiten schlechter als ein direktes Scheduling auf Netzebene durchzuführen. Stattdessen wird hier ein übergeordneter Scheduler (Meta-Scheduler) benötigt, der einzuplanende Anforderungen an einen lokalen Scheduler weiterleitet. Ein Hauptproblem ist dabei, dass eine globale Optimierung nicht vom Meta-Scheduler vorgenommen werden kann, da er keine exklusive Planungsautorisierung für die lokalen Ressourcen hat. Eine Unterstützung von Funktionalitäten wie Capable to Promise ist aber möglich. Die sich beim Grid Computing ergebenen Scheduling-Erfahrungen sollten nahelegen, soweit möglich auf ein hierarchisches Scheduling zu verzichten und statt dessen die Möglichkeiten eines lediglich dezentralen Zugriffs zu unterstützen. 1.7 Multikriterielle Planung Multikriterielles Scheduling ist in den letzten Jahren zu einem vieldiskutierten Thema geworden, zu dem bereits eine erste Monographie vorliegt (vgl. T'kindt and Billaut (2002)). Bei der multikriteriellen Optimierung werden mehrere Ziele bei der Optimierung berücksichtigt. In diesem Zusammenhang gibt es eine Vielzahl an Verfahren (vgl. Gal et al (1999), Hanne (2001)). Einige basieren zum Beispiel auf der Idee, dass eine Kompromisslösung für die verschiedenen Ziele berechnet wird. Andere Verfahren zielen auf die Ermittlung der sogenannten effizienten oder Pareto-optimalen Menge ab. Das sind jene Lösungen, bei denen es nicht möglich ist, eines der Ziele zu verbessern ohne dass mindestens ein anderes verschlechtert würde. Beim Vorliegen der Pareto-optimalen Menge kann ein Entscheidungsträger die Trade-Offs zwischen verschiedenen Zielen explizit berücksichtigen und eine effiziente Lösung auswählen. Da sich die Aufgabenstellung bei der Ermittlung der Pareto-optimalen Menge deutlich von einer einfachen (skalaren) Optimierung unterscheidet, werden hierbei andere bzw. angepasste Verfahren benutzt. Häufig werden in diesem Zusammenhang auch Metaheuristiken wie z.b. evolutionäre Verfahren verwendet (vgl. etwa Landa Silva and Burke (2002)).

12 In Bezug auf den Baubereich können verschiedene Ziele (vgl. unten) ausgemacht werden, die für einen Planer von Bedeutung sein können. Je nach Situation mag dabei das eine oder andere Ziel dominieren, so dass ein Entscheidungsträger von der expliziten Veranschaulichung unterschiedlicher effizienter Lösungen profitieren kann. Hierbei wäre auch eine grafische Oberfläche von großem Nutzen, z.b. um dem Entscheidungsträger eine Navigation in der Lösungsmenge zu ermöglichen (vgl. Trinkaus and Hanne (2004)).

13 2. Zur Formalisierung von Scheduling-Problemen in der Bauwirtschaft In einigen Veröffentlichungen findet man Formalisierungen von Scheduling-Problemen im Baubereich. Im einzelnen treten diese, z.b. bestimmte Restriktionen, allerdings auch in anderen Anwendungsfeldern auf. Eine Diskussion dieser Scheduling-Aspekte findet man z.b. bei Chen, Jahren und Canales (2003), die über ein großes Bau-Projekt berichten. Weitere Aspekte zu Restriktionen in Scheduling-Problemen finden sich bei Sriprasert und Dawood (2002). 2.1 Typische Restriktionen Präzedenz-Relationen zwischen Aktivitäten Beispiel: Erst das Gerüst bauen, dann streichen Ressourcen-Erfordernisse Beispiel: Für Aktivität z sind genau 2 Personen erforderlich. Kapazitätsbeschränkungen bei Ressourcen Soft Constraints Beispiel: Es stehen insgesamt 6 Arbeitskräfte zur Verfügung. Beispiel: Es wäre wünschenswert, wenn erst die Aktivität x beendet wird, bevor die Aktivität y startet. Start/Beendigung von Aktivitäten vor/bis zu einem festgelegten Zeitpunkt (due dates). Hierzu zählen auch Meilensteine. Beispiel: Das Gerüst muss bis zum 15. Mai aufgebaut sein. Weitere Restriktionen können z.b. Präzedenz-Relationen mit Mindest- oder Höchstwartezeiten umfassen. Beispiele: Die Farbe muss mindestens 2 Tage trocknen bevor ein neuer Anstrich aufgebracht wird. Spätestens 2 Wochen nach der Aufbringung des Dämm-Materials muss an der Fassade weitergearbeitet werden.

14 2.2 Typische Zielformulierungen In der Praxis finden sich zahlreiche Zielformulierungen. Hierzu können zum Beispiel die folgenden gehören: Minimierung der Dauer eines Projekts Kostenminimierung Einhaltung von Lieferzeitpunkten bzw. die Minimierung von Verspätungen Berücksichtigung von Prioritäten in der Planung Oft ist es auch wünschenswert mehrere Ziele gleichzeitig zu berücksichtigen. Dieses kann grundsätzlich durch eine multikriterielle Formulierung des Problems erfolgen oder durch Berücksichtigung einiger Ziele als Soft Constraints.

15 3. Optimierungs- und Scheduling-Verfahren Im Folgenden werden kurz einige Optimierungstechniken diskutiert, die im Zusammenhang mit den Scheduling-Problemen in der Projektplanung, insbesondere in der Baustellenplanung, eingesetzt werden können. Die Auflistung ist dabei durchaus nicht vollständig, sondern soll nur einige Highlights umfassen. 3.1 Einfache Regeln / Dispatching-Rules Einfache Verfahren zum Scheduling dominieren in der praktischen Anwendung. Eine einfache Entscheidungsregel wird oft bevorzugt, weil sie ohne großen rechnerischen Aufwand anwendbar ist, leicht verständlich ist und meist auch mit dynamischen Situationen (sukzessive bekannt werdende Jobs, Unsicherheiten, Änderungen in der Datengrundlage) fertig werden können. Beispiele sind etwa first come, first served bei der Jobs gemäß dem zeitlichen Eintreffen bzw. Bekanntwerden abgearbeitet werden. Für bestimmte Probleme kann auch nachgewiesen werden, dass solche Regeln eine gute Performance besitzen. Für Scheduling-Probleme im allgemeinen (bzw. komplexe Scheduling-Probleme) lässt sich zeigen, dass die erzielten Lösungen von Dispatching-Regeln oft erheblich von den erzielbaren Optimalergebnissen abweichen können. Daher stellt sich die Frage nach dem Einsatz eines Optimierungsverfahrens im engeren Sinne. 3.2 Quasi-enumerative Techniken Traditionelle Optimierungstechniken im Bereich des Scheduling benutzen z.b. die Ansätze Branch&Bound oder Dynamic Programming. Da Scheduling-Probleme jedoch häufig NPschwer sind, kann es sein, dass diese Verfahren bereits bei nicht allzu großen Problemen zu unakzeptablen Laufzeiten führen. Im worst case benötigen diese Methoden eine partielle Enumeration zulässiger Lösungen einhergehend mit einer Laufzeit, die sich exponentiell zur Größe des Scheduling-Problems verhält. Dieser Umstand kann für Praxisanwendungen unakzeptabel sein, insbesondere wenn gewissermaßen eine sofortiges Scheduling von neu eintreffenden Jobs benötigt wird, z.b. bei der Entgegennahme von Aufträgen und Zusicherung von zugehörigen Lieferterminen. 3.3 Metaheuristiken Metaheuristiken liegen in Bezug auf die Rechenzeitanforderungen üblicherweise zwischen den Dispatching-Regeln und den erwähnten quasi-enumerativen Techniken. Sie liefern im allgemeinen nur eine näherungsweise optimale Lösung für das Scheduling-Problem, die aber üblicherweise deutlich besser sein kann als die bei Anwendung einer einfachen Regel. Daher spielen Metaheuristiken eine bedeutende Rolle im Bereich des Scheduling. Zu den Metaheuristiken gehört eine Vielzahl an einzelnen Techniken, deren gemeinsames Merkmal es ist, eine allgemeine bzw. generische Lösungsidee für Probleme anzuwenden. Ein auch im Scheduling-Bereich verbreitetes Verfahren aus dieser Klasse von Methoden sind

16 die evolutionären Algorithmen, die darauf basieren eine vereinfachte Nachbildung der natürlichen Evolution für Zwecke der Optimierung zu verwenden. Eine gute Übersicht hierzu findet sich in der Arbeit von Rixen (1997). Arbeiten zu evolutionären Algorithmen findet man häufig auch unter dem Schlagwort genetische Algorithmen. Eine Anwendung für Zwecke der Planung von Software-Entwicklungsprojekten findet sich bei Hanne und Nickel (2003). Andere verbreitete Metaheuristiken sind zum Beispiel Tabu Search, Simulated Annealing oder lokale Suche (local search). Squeakywheel-Optimierung (vgl. Drabble und Haq (2001), Joslin (1999)) ist eine spezielle Metaheuristik im Bereich des Scheduling. Das Verfahren basiert auf der Idee, dass ausgehend von einer auf einfache Weise ermittelten Lösung (z.b. mit einer Dispatching- Regeln) diese sukzessive verbessert wird, indem man sich die schlecht verplanten Auftrage anzieht, die quietschenden Stellen am Rad. Diese werden in geeigneter Weise umgeplant, z.b. indem man ihnen eine höhere Priorität einräumt. 3.4 Constraint-Based Scheduling Die Anwendung von Constraint Programming auf Scheduling-Probleme hat sich mittlerweile ebenfalls als weitverbreiteter und schneller Ansatz etabliert. Allgemeine Darstellungen eines Constraint-based Scheduling findet man in Le Pape (1994), Bartak (2003). Anwendungen werden z.b. von Pemberton und Galiber (1998) diskutiert. 3.5 Wissensbasierte Systeme Wissensbasierte Systeme (knowledge-based systems) im Bereich des Scheduling werden in einer Reihe von Arbeiten diskutiert, z.b. in Sauer und Appelrath (1997), Sauer (2001). Beispielsweise geht es dabei unter anderem darum, in Abhängigkeit von Informationen über das zu lösende Scheduling-Problem ein geeignetes Verfahren auszuwählen. Manche dieser System verwenden Techniken der künstlichen Intelligenz (KI bzw. AI - Artificial Intelligence) und sind z.b. auf der Logik-orientierten Programmiersprache Prolog aufgebaut (vgl. etwa Sauer (2001)). In Wang (2001) wird ein Expertensystem für Zwecke der Bauplanung vorgestellt. Ein Besonderheit stellt dabei die Integration mit der CAD- Planung dar. Allerdings machen diese Ansätze derzeit noch einen eher akademisch orientierten Eindruck und weisen kaum Industrie-Anwendungen nach. In Bezug auf die Anwendung von KI für reale Probleme lässt sich allgemein eine gewisse Ernüchterung feststellen (vgl. Kempf et al. (1991)). Einige Systeme basieren auf einen case-based Ansatz. Dabei werden Informationen über das Lösen bisheriger Scheduling-Probleme benutzt, um künftige zu bewältigen. In der Arbeit von Lee et al. (1997) wird z.b. ein Projektplanungssystem im Bau-Bereich vorgestellt, welches case- und constraint-basiert ist. Größere Praxis-Bedeutung hat dagegen die Bereitstellung von Zusatz-Information in Verbindung mit den eigentlichen Projektplanungsaufgaben. Im Baubereich kann es z.b.

17 sinnvoll sein, Bauvorschriften, Architektenhonorare oder Standard-Arbeitszeiten in Verbindung mit Planungsvorgängen abzurufen. Einige solche Informationen mögen mit Scheduling-Aspekten verquickt sein, wie z.b. Sicherheitserfordernisse. Eine Abdeckung rechtlicher Erfordernisse, etwa aus der Baustellenverordnung, erscheint als zweckmäßig, Hierzu zählt z.b. die Erstellung und Pflege eines Sicherheits- und Gesundheitsschutzplanes bei größeren Projekten. Die Einbettung von visuellen Informationen, z.b. Fotografien von Bauobjekten oder Arbeitsvorgängen, kann die Planung ebenfalls unterstützen. Eine besondere Bedeutung können Tools besitzen, die eine Berechnung von Arbeitszeiten unter Berücksichtigung von Produktivitäten und quantitativen (z.b. Größe in Quadratmetern) und qualitativen (z.b. Ausgangszustand des Objekts) Charakteristiken der auszuführenden Arbeitsvorgänge betreffen. Hierzu ist ein Rückgriff auf Erfahrungswissen über das System erforderlich. Für derartige Aufgaben gibt es bereits Tools in der Bauwirtschaft Einsatz von Simulationstechniken Simulation als Planungstechnik wurde bislang nur vereinzelt im Baubereich eingesetzt. Generell lässt sich hierzu anmerken, dass dynamische Simulationsmodelle mit ihrer expliziten (i.d.r. grafischen) Darstellung von zeitlichen Abläufen einen höheren Detaillierungsgrad als (abstraktere) Scheduling-Modelle aufweisen. Insofern ist für ihre Erstellung ein höherer Aufwand erforderlich und Unsicherheiten (s.o.) stellen ein größeres Problem dar. Eine allgemeine Perspektive für die Anwendung von Simulationsmodellen im Baubereich wird in Franz und Chahrour (2002) diskutiert. Allerdings gibt es bislang keine Spezial-Software zur Simulation von Baustellen. Etabliert ist die Simulation (vgl. Swain (2003)) etwa für kontinuierliche Prozesse (z.b. in der chemischen Industrie), in verschiedenen Bereichen der automatisierten Produktion, in der Logistik (hier vor allem im Bereich der Materialflusstechnik) und für abstrahierte diskrete Prozesse (z.b. Kommunikationsnetzwerke).

18 4. Software-Übersicht Die nachfolgend aufgeführten Angaben stützen sich vornehmlich auf Hersteller-Angaben wie sie etwa im Internet verfügbar, d.h. eine Evaluation der Software wurde in der Regel nicht vorgenommen. Ein Teil der Software ist für allgemeine Anwendungen im Bereich des Projektmanagements konzipiert, ein anderer Teil weist branchentypische Anpassungen für das Baugewerbe auf. Im ersten Teil der Software-Übersicht wird der Schwerpunkt auf international verbreitete allgemeine Software zur Projektplanung gelegt. Im zweiten Teil wird spezifische Software für die Baubranche im deutschsprachigem Raum betrachtet. Aufgrund länderspezifischer Erfordernisse (z.b. rechtlicher Art) sind diese Branchenlösungen nämlich nicht ohne weiteres international übertragbar. Daher bleiben entsprechende Programmpakete etwa aus dem angelsächsischem Raum hier unberücksichtigt. Spezielle Software für das Baugewerbe in Deutschland wird z. B. unter aufgelistet. Die dortige Software bildet im wesentlichen auch andere Anforderungen in diesem Bereich ab, z.b. für Kalkulation, Ausschreibungen, Honorarermittlung, Mengenermittlung, Arbeitsvorbereitung, Bautagebuch, Rechnungsschreibung, Baudaten. Nur ein kleiner Teil der Software unterstützt ein mehr oder weniger überhaupt ein formales Scheduling. Als weitere von Dericks und Doberass erarbeitete Übersicht (Stand Juli 2001) über diesen Software-Bereich sei hier auf folgende Website verwiesen: Lengfeld%202001%20Homepage/Zeitmanagement/uebersicht.htm 4.1 International verbreitete Software zur Projektplanung Einige Softwarepakete, als SDEF-fähige Tools (vgl. Abschnitt 4.3) in Übersichten aufgeführt werden, werden weiter unten nicht berücksichtigt, da weitergehende Informationen (z.b. eine Website) nicht ermittelt werden konnten. Hierzu zählen DLW cpm, PPMS 30,000 Version 4.02 von Advanced Project Approach, Inc., und Microtrak Aldergraf (Timesketch) (AlderGraf Systems, Inc.) Die Aldergraf-Software scheint im wesentlichen ein CPM-basiertes Scheduling-Tool zu sein. Die Software scheint auch als Timesketch angeboten zu werden, welche als Planungs- und Scheduling-Tool bezeichnet wird. Unterstützt SDEF. Im Gegensatz zu den anderen hier aufgeführten Produkten scheint diese Software nicht mehr weiterentwickelt zu werden. Es ist lediglich eine DOS-Version (sowie für Mainframes) verfügbar, die jedoch über immer noch konkurrenzfähige Visualisierungsmöglichkeiten verfügen soll. Web-Adresse: nicht verfügbar Anschrift: Time Sketch Aldergraf Inc., PO Box Houston, TX 77048, USA Artemis (Artemis Views) (Artemis International Solutions Corporation)

19 Verbreitete Software, die Projektmanagement und Ressourcenplanung unterstützt. Es können mehrere Projekte mit Inter-Projekt-Beziehungen geplant werden. Aktivitäten können priorisiert werden. Meilensteine können angegeben werden. Verschiedene Analysen, z.b. what-if-analysen werden unterstützt. Es können unterschiedliche Versionen von Projekten verwaltet werden. Verschiedene grafische Ausgabe- und Reportmöglichkeiten sind vorhanden. Kosten- und Earned Value Management werden auch unterstützt. Der Zugriff über Web-Browser ist möglich. Eine Integration mit MS-Project ist möglich. Artemis 9000 ist konzipiert für IBM Mainframes und Windows NT-Systeme. Der Preisrahmen bewegt sich ab $50,000 aufwärts. Web-Adresse: us.aisc.com/product/2 Anschrift: 4041 MacArthur Blvd. Suite 401, Newport Beach, California 92660, USA FastTrack Schedule Version 6.0 (AEC Software Inc.) Verbreitete und benutzerfreundlich Projektplanungs-Software im mittelpreisigem Segment. Neben Gantt-Charts hat die Software verschiedene andere Darstellungsmöglichkeiten. Außer Aktivitäten können zugeordnete Ressourcen geplant und Termine (z.b. Milestones) berücksichtigt werden. Eine einfache Kostenplanung ist ebenfalls integriert. Verschiedene Abhängigkeiten zwischen Aktivitäten können berücksichtigt werden. Ein Datenaustausch mit MS-Project ist möglich. Eine mobile Anbindung wird über das Palm OS unterstützt. Die prozentuale Abarbeitung laufender Projekte wird mitgeführt. Web-Adresse: Anschrift: AEC Software, Inc., Markey Ct., Sterling, VA 20166, USA IFS/Constraint-Based Scheduling (IFS) Diese Software bietet unter anderem eine capable-to-promise-funktionalität, die Berücksichtigung von Kapazitätsrestriktionen, ein Frühwarnsystem für Lieferzeit- Überschreitungen. Das GUI ist recht ansprechend mit Gantt-Charts etc.. Interaktives, prognostizierendes und reaktives Scheduling ist möglich. Insgesamt scheint die Software eher in Richtung ERP/APS zu gehen. Web-Adresse: g_fact_features.asp Anschrift: Linköping, Teknikringen 5, Linköping, SWEDEN MS-Project (Microsoft) MS-Project ist eine weit verbreitete Software für allgemeine Zwecke der Projekt-Planung. Projektpläne (Schedules) können durch Gantt-Diagramme visualisiert werden. Abhängigkeiten zwischen Aktivitäten können modelliert werden. MS-Project unterstützt eine Ressourcen-Verwaltung, besitzt aber keine eigene Optimierungskomponente.

20 Eine verteilte Arbeit an einem Projekt ist möglich über Microsoft Project Workgroup. Eine Multi-Projekt-Planung ist ebenfalls möglich. Es bestehen Schnittstellen zu anderen Tools, insb. anderen Microsoft-Produkten. Einige Anbieter, z.b. B4UBUILD.COM bieten Bauplanungen basierend auf MS-Project an. Web-Adressen: office.microsoft.com, Anschrift: Microsoft Corporation, One Microsoft Way, Redmond, WA , USA Open Plan (Welcom Software Technology Corporation) Die Software unterstützt die Ermittlung kritischer Pfade. Ein Multi-Projekt-Management ist möglich. Ressourcen werden verwaltet. Es wird hier auch von ERP-Integration gesprochen. Ein web-basiertes Portal (Zusatzkomponente) kann kollaborativ genutzt werden. Kostenmanagement, Earned Value und EVMS-Reporting sind über Zusatzkomponenten integrierbar. Ferner ein formales Risiko-Management, ebenfalls über eine Zusatzkomponente. Unterstützt SDEF und eine Integration mit MS-Project sowie P3 und P3e. Zahlreiche Industrie-Kunden aus verschiedenen Branchen Web-Adresse: Anschrift: N. Barkers Landing Rd, Suite 350, Houston, TX 77079, USA PMS-80 (Pinnell-Busch, Inc. bzw. Pinnell Engineering, Inc) Unix- und DOS-basiertes Tool mit guten grafischen Ausgabemöglichkeiten, gute Reports Unterstützt SDEF. Der Schwerpunkt des Anbieters liegt jedoch auch Consulting anstatt auf Vertrieb der Software Web-Adresse: Anschrift: Pinnell-Busch, Inc., 6420 S.W. Macadam Avenue, Suite 330, Portland, Oregon 97239, USA Primavera P3e (Primavera Systems, Inc.) Alternative Bezeichnung: Primavera SureTrak Project Manager Version 3.0. Baustellenplanungs-Software, die z.b. vom Verkehrsministerium in New Jersey eingesetzt wird. Unterstützt Projektmodellierung mit bis zu 100,000 Aktivitäten pro Projekt, Multiprojekt-Scheduling und Ressourcenplanung. Zusätzlich zu einem Critical Path-Ansatz unterstützt SureTrak 10 Typen von Restriktionen und 7 Typen von Aktivitäten. Unterstützt SDEF. Preis ca. $499. Web-Adresse: Anschrift: Primavera Systems, Inc., Three Bala Plaza West, Suite 700, Bala Cynwyd, PA 19004, USA

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