Simulationsbasierte Projektplanung

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1 ISSN Handreichungen für die betriebliche Praxis Simulationsbasierte Projektplanung

2 Projekte und Prozesse, wie beispielsweise umfangreiche Produktentwicklungsprojekte oder komplexe Innovationsprojekte, können in Unternehmen dann erfolgreich durchgeführt werden, wenn sie zuvor systematisch geplant und während der Durchführung ausreichend kontrolliert und gesteuert werden. Konventionelle Methoden und Werkzeuge des Projekt- und Prozessmanagements bieten Verantwortlichen in der Praxis aber nur eine geringe Unterstützung bei der Planung und Steuerung ihrer Projekte unter Unsicherheit. Alternative Ansätze, wie das Verfahren der personalintegrierten Simulation, können Verantwortliche dabei unterstützen, den Ablauf eines Projektes bereits vor der Durchführung zu analysieren und mögliche Risiken für das Projekt zu erkennen. Und die dabei erzeugten Planungsalternativen in Form von Was-wäre-wenn -Szenarien bieten allen Beteiligten eine fundierte Entscheidungsgrundlage. Projektplanung und Simulation Die Projektplanung ist der erste Schritt zu einer erfolgreichen Durchführung eines Projektes. Sie umfasst im Wesentlichen die Projektstrukturierung, Ablauf- und Terminplanung sowie Ressourcenplanung. Bei der Strukturierung müssen sich Planerinnen und Planer die Fragen stellen, welche Leistungen und Lieferungen im Projekt zu erbringen sind und welche Aufgaben dafür erforderlich sind. Anschließend müssen die Aufwände der einzelnen Projektaufgaben und entsprechende Bedarfe an Einsatz- und Finanzmitteln abgeschätzt werden. Daraus können Planerinnen und Planer die Ausführungszeiten, d. h. Ablauf, Dauern und Termine, sowie die resultierenden Kosten einzelner Projektaufgaben berechnen und somit eine Art Fahrplan für die spätere Durchführung des Projektes erstellen. Die Durchführung weicht allerdings fast immer vom ursprünglichen Plan ab, sodass Projektmanagerinnen und Projektmanager die wichtige Aufgabe haben, die Abläufe im Projekt fortlaufend zu überwachen und bei Abweichungen mit entsprechenden Maßnahmen steuernd einzugreifen. Um den Ablauf komplexer Projekte und Prozesse in einem experimentierbaren dynamischen Modell nachzubilden, wurde an der RWTH Aachen University eine ereignisdiskrete, personalintegrierte Simulationssoftware entwickelt. Mit Hilfe der Simulation können der Ablauf eines komplexen Projektes bereits vor der Durchführung analysiert und mögliche Risiken für das Projekt erkannt werden. Planerinnen und Planer unterliegen nicht den Einschränkungen des realen Systems, sondern können Beobachtungszeiträume und Ausführungszeiten von Projektaufgaben oder die Zuordnung von Arbeitspersonen auf Projektaufgaben beliebig variieren. Auf diese Weise können Auswirkungen von Planungsalternativen ausgewertet und auch quantifiziert werden. Die Simulation gewinnt somit als Unterstützung bei der operativen Planung und Steuerung komplexer und unsicherer Projekte an Bedeutung. Prinzipien und Funktionsweise der Projektsimulation Die wesentlichen Bestandteile des Simulationsmodells sind Vorgänge, Arbeitspersonen und Einsatzmittel eines Projektes. Vorgänge, oder auch Aktivitäten, beschreiben bestimmte Tätigkeiten zur Bearbeitung der Projektaufgaben. Anwenderinnen und Anwender kennen vielleicht eher den Begriff Arbeitspaket ein Arbeitspaket kann in Vorgänge unterteilt werden, und mehrere Vorgänge bilden zusammen ein Arbeitspaket. Arbeitspersonen und Einsatzmittel müssen zur Ausführung eines Vorgangs in bestimmter Art und Anzahl zur Verfügung stehen. 2

3 Als Ausgangspunkt für die Projektplanung wird zunächst die Aufbauorganisation des Unternehmens erfasst: Welche Organisationseinheiten, Abteilungen oder Arbeitsgruppen bzw. Teams sind am Projekt beteiligt? Welche Mitarbeiter arbeiten in welchen Organisationseinheiten? Und wie hoch ist deren Entgelt? Über welche Qualifikationen und Kompetenzen verfügen die Arbeitspersonen? Welche Einsatzmittel, d. h. Werkzeuge, Maschinen und Geräte, werden für das Projekt benötigt? Wie hoch sind Betriebskosten, d. h. die pro Stunde, Tag oder Woche anfallenden Kosten, und Gemeinkosten der Einsatzmittel? In welcher Anzahl stehen Einsatzmittel im Projekt zur Verfügung? Daraufhin kann die Ablauforganisation erfasst werden: Welche Vorgänge müssen überhaupt im Projekt ausgeführt werden? Wie lange dauert ein Vorgang mindestens, durchschnittlich und maximal? In welcher Organisationseinheit wird ein Vorgang ausgeführt? Welche Arbeitspersonen und Einsatzmittel werden für die Ausführung eines Vorgangs benötigt? In welcher Reihenfolge müssen die Vorgänge ausgeführt werden? Für die Erfassung der Eingangsdaten und Simulationsparameter werden häufig grafische Beschreibungssprachen zur Modellierung von Geschäftsund Arbeitsprozessen eingesetzt. Sie haben in der Unternehmenspraxis eine große Bedeutung. Interessierte Anwenderinnen und Anwender seien auf die Handreichung Prozessmodellierung in dieser Reihe verwiesen, in der entsprechende Methoden und ihre Anwendung dargestellt werden. Bearbeitungsstrategien in Projekten In komplexen Projekten, wie z. B. Produktentwicklungsprojekten, genügt es nicht, nur die Reihenfolge der Vorgänge abzubilden, es müssen auch die zwischen den Vorgängen bestehenden informatorischen und technischen Abhängigkeiten berücksichtigt werden. Grundsätzlich kann zwischen einer parallelen, sequentiellen, überlappenden und aufgrund von informatorischen Interdependenzen iterativen Bearbeitung der Vorgänge unterschieden werden. Angenommen, ein Vorgang A stellt eine Konstruktionstätigkeit und ein Vorgang B die dazugehörige Fertigungsplanung dar. Bei der sequentiellen Bearbeitung beider Vorgänge steht das Konstruktionsergebnis für die anschließende Fertigungsplanung vollständig zur Verfügung. Die teilweise oder vollständige parallele Bearbeitung der Vorgänge führt zu einer verkürzten Prozessdauer, ist aber nur möglich, wenn die Vorgänge unabhängig voneinander sind und keine informatorische Kopplung zwischen ihnen besteht. Bei der interdependenten Bearbeitung der Vorgänge würde die Fertigungsplanung bearbeitet werden, sobald ein ausreichendes aber nicht vollständiges Konstruktionsergebnis vorliegt. Anschließend würden beide Vorgänge parallel bearbeitet werden, was teilweise zu Mehraufwand führen würde, da mit einem nicht endgültigen Informationsstand gearbeitet wird und sich die Ergebnisse beider Vorgänge fortlaufend ändern können. Bearbeitungsstrategie Sequentielle Bearbeitung Parallele Bearbeitung Überlappende Bearbeitung Interdependente Bearbeitung Grafisches Modell A A A B A B B B Simulationsbasierte Projektplanung 3 3

4 Die von der Anwenderin bzw. dem Anwender modellierten Eingangsdaten und Simulationsparameter, wie z. B. die Anzahl der Simulationsläufe, werden anschließend in der Simulationssoftware eingelesen. Mit Beginn eines Simulationslaufs werden diejenigen Vorgänge identifizieren, die als nächstes bearbeitet werden können, d. h. die entweder keinen Vorgänger besitzen oder deren Vorgänger bereits vollständig bearbeitet wurden. Vorgänge werden dann entweder sequentiell, parallel oder überlappend bearbeitet je nachdem welche informatorischen Abhängigkeiten zwischen den Vorgängen bestehen. Mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit werden Vorgänge in Iterationsschleifen bearbeitet. Iterationsschleifen entsprechen dabei geplanten und ungeplanten Änderungen oder aufgrund geänderter Informationen notwendigen Anpassungen, die während der Durchführung des Projektes auftreten können. Für jeden Bearbeitungszeitpunkt eines Vorgangs wird überprüft, ob die erforderlichen Ressourcen zur Verfügung stehen. Falls die erforderlichen Ressourcen nicht in ausreichender Kapazität zur Verfügung stehen sollten, werden die betroffenen Vorgänge unterbrochen bzw. deren Bearbeitungszeitpunkt verzögert. In jedem Simulationslauf werden die genannten Programmschritte so lange wiederholt, bis alle Vorgänge vollständig bearbeitet wurden. Die Gesamtdauer eines simulierten Projektes entspricht dem Intervall zwischen Beginn des Simulationslaufes und Fertigstellungszeitpunkt des zuletzt ausgeführten Vorgangs. Welche Eingangsdaten müssen für die Projektsimulation erfasst werden? Organisationseinheiten, Abteilungen oder Arbeitsgruppen bzw. Teams, Arbeitspersonen, deren Entgelt und Qualifikationen bzw. Kompetenzen, Einsatzmittel wie Werkzeuge, Maschinen und Geräte, deren Anzahl sowie Betriebsund Gemeinkosten, Vorgänge, deren Mindest-, Durchschnittsund Maximaldauer, Zuordnung zu einer Organisationseinheit sowie erforderliche Arbeitspersonen und Einsatzmittel, Anordnungsbeziehungen der Vorgänge, d. h. Bearbeitungsbeginn, Iterationswahrscheinlichkeit, Mehraufwand und Abnahme der Iterationswahrscheinlichkeit in Bezug zu Vorgängern. Welche Simulationsergebnisse stehen der Anwenderin bzw. dem Anwender für die Analyse und Planung eines Projektes zur Verfügung? Häufigkeitsverteilungen der Gesamtdauer und Gesamtkosten des simulierten Projektes, anhand derer die zu erwartenden Gesamtdauer und Gesamtkosten abgeschätzt werden können, Statistische Auswertungen der Gesamtdauer und Gesamtkosten, wie z. B. minimale, durchschnittliche, maximale Gesamtdauer, Risikoabschätzungen der Gesamtdauer und Gesamtkosten, wie z. B. fünftes und 95. Perzentil der Gesamtdauer, Streudiagramm der Gesamtdauer und -kosten, mit dem die Abhängigkeitsstruktur der Dauer und der Kosten untersucht werden kann, Simulierte Projektverläufe als Gantt-Charts, anhand derer Iterationen und Unterbrechungen der Vorgänge sowie Ressourcenkonflikte identifiziert werden können. 4

5 Anwendung der Simulationssoftware Für interessierte Anwenderinnen und Anwender steht die Simulationssoftware unter und kostenfrei zur Verfügung. Die Anwendung der Software wird im Folgenden anhand eines einfachen Beispiels beschrieben. Modellierung der Aufbauorganisation Der betrachtete Unternehmensbereich umfasst drei Abteilungen. In der Entwicklungsabteilung befinden sich vier, Fahrzeugentwicklung im Test Center zwei und im Projektmanagement drei Arbeitspersonen mit jeweils unterschiedlichen Kompetenzen und Entgelt. Zudem stehen eine Test Center CAE-Software und ein digitaler Mock- Up als Einsatzmittel zur Verfügung. In Projektmanagement der Simulation erfolgt die Zuordnung der Arbeitspersonen und Einsatzmittel auf einen Vorgang zufallsbasiert, Einsatzmittel dabei werden aber die Einordnung der Arbeitspersonen und Einsatzmittel in eine Organisationseinheit sowie die Anforderungen der Vorgänge an bestimmte Kompetenzen berücksichtigt. Aufbauorganisation Ressourcen Kompetenzen Kosten Christina Wagner Entwicklungsing. 35 Manfred Frehner Entwicklungsing. 35 Stefan Fischer Entwicklungsing.; Leiter Produktentw. 65 Simone Koch Entwicklungsing. 58 Rene Kunz Konstrukteur 41 Andreas Meyer Testing Laborautomation; Konstrukteur 41 Elisabeth Lang Anwendungsing.; Kalkulator Produktion 45 Daniel Berger PM zert C 57 Pia Graber PM zert A 65 CAE-Tool 235 Digital Mock-Up 100 Modellierung der Ablauforganisation Das untersuchte Projekt besteht aus 15 Vorgängen. Für jeden Vorgang wurde die Dauer mit Hilfe einer Drei-Punkt-Schätzung bestimmt. Beispielsweise kann die tatsächliche Dauer des ersten Vorgangs zwischen drei und 15 Arbeitstagen schwanken. Vorgänge, wie beispielsweise Vorgang 2, können in einer synchronen Zusammenarbeit von mehreren Arbeitspersonen aus unterschiedlichen Abteilungen ausgeführt werden. Dazu werden entsprechende Abteilungen ausgewählt, erforderliche Kompetenzen der Arbeitspersonen erfasst oder wahlweise direkt Arbeitspersonen aus der entsprechenden Abteilung zugeordnet. Ablauforganisation Nr. Vorgang Dauer (o, w, p) Abteilung Ressourcen 1 Funktionen spezifizieren und festlegen Entwicklung Christina Wagner 2 Details und Testfälle spezifizieren Test Center Manfred Frehner; Rene Kunz 3 Technische Umsetzbarkeit prüfen Entwicklung Entwicklung Entwicklungsing.; Entwicklungsing. Test Center 4 Aufwand abschätzen Projektmngt Projektmngt PM zert C 5 Design und Modelle reviewen Test Center Andreas Meyer; Digital Mock-Up 6 Softwaretests spezifizieren Test Center Mitarbeiter Software designen und codieren Entwicklung Rene Kunz 8 Modultests durchführen Test Center Andreas Meyer Konstrukteur 9 Design und Code reviewen Entwicklung Testing Laborautomation 10 Module integrieren Entwicklung CAE-Tool 11 HiL-Tests durchführen Test Center Digital Mock-Up 12 Systemtests durchführen Test Center Rene Kunz 13 Arbeitsparameter erfassen Entwicklung Simone Koch 14 Klausur vorbereiten Projektmngt PM zert A; CAE-Tool 15 Funktionsklausur durchführen Entwicklung Entwicklungsing.; CAE-Tool Zwischen den Vorgängen bestehen informatorische Abhängigkeiten, so dass sie nur in einer bestimmten Reihenfolge durchgeführt werden können. Beispielsweise müssen zuerst die Testfälle spezifiziert werden, erst anschließend können die Reviews für das Design und die Modelle z. B. mit Hilfe eines digitalen Mock-Up durchgeführt werden. Erfahrungsgemäß fallen die Reviews mit einer Wahrscheinlichkeit von 20 % negativ aus. Die Spezifikation der Testfälle sowie der anschließende Review müssen Simulationsbasierte Projektplanung 5 5

6 dann erneut in einer Iterationsschleife durchgeführt werden. Dabei entsteht ein Mehraufwand von 100 % der ursprünglichen Dauer. Die Iteration endet nach einer bestimmten Anzahl an Wiederholungen, da die Wahrscheinlichkeit nach jeder Wiederholung um 50 % abnimmt. Ablauforganisation Nr. Vorgang Funktionen spezifizieren und festlegen 2 Details und Testfälle spezifizieren 1,0 0,2 Iterationswahrscheinlichkeit 1,0 0,5 Abnahme der Iterationswsk. 3 Technische Umsetzbarkeit prüfen 1,0 0,5 Mehraufwand 0,8 1,0 4 Aufwand abschätzen 1,0 Bearbeitungsbeginn 5 Design und Modelle reviewen 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Analyse der Simulationsergebnisse Im Rahmen einer Simulationsstudie können nun die zu erwartenden Projektdauern und Projektkosten sowie die zu erwartenden Projektverläufe ermittelt und untersucht werden. Standardmäßig wird jedes Simulationsexperiment mit einem Stichprobenumfang von Simulationsläufen durchgeführt; die Anzahl der Simulationsläufe kann von der Anwenderin bzw. dem Anwender aber beliebig gewählt werden. Für das Beispiel ergibt die Simulation eine minimale Gesamtdauer von 34, eine mittlere Gesamtdauer von 96 und eine maximale Gesamtdauer von 121 Arbeitstagen. Die Häufigkeitsverteilungen der simulierten Gesamtdauer und Gesamtkosten eines Projektes werden, wie hier zu sehen, in Form eines Histogramms dargestellt GESAMTDAUER Minimalwert Perzentil 52 Mittelwert 96 Modalwert Perzentil 115 Maximalwert 121 Std.abweichung 12 Varianz 6 Einzelne Simulationsläufe können ausgewählt und die detaillierten Projektverläufe in Form eines Gantt- Charts angezeigt werden. Beispielsweise interessiert sich die Anwenderin bzw. der Anwender für einen Projektverlauf des 95. Perzentils denn die tatsächliche Gesamtdauer des Projektes wird mit einer statistischen Sicherheit von 95 % nicht größer als diese simulierte Gesamtdauer sein. Simulation Nr. Vorgang Funktionen spezifizieren und festlegen 2 Details und Testfälle spezifizieren 3 Technische Umsetzbarkeit prüfen 4 Aufwand abschätzen 5 Design und Modelle reviewen 6 Softwaretests spezifizieren 7 Software designen und codieren 8 Modultests durchführen 9 Design und Code reviewen 10 Module integrieren 11 HiL-Tests durchführen 12 Systemtests durchführen 13 Arbeitsparameter erfassen 14 Klausur vorbereiten 15 Funktionsklausur durchführen 6

7 Planungsalternativen und Was-wäre-wenn -Szenarien Wurde das Projekt einmal erfasst, können mit der Simulationssoftware auch Was-wäre-wenn - Szenarien simuliert und Planungsalternativen untersucht werden. Beispielsweise interessiert die Planerin bzw. den Planer, welche Auswirkungen der Einfluss zusätzlicher Arbeitspersonen auf die Gesamtdauer eines Projektes hat und wie sich zusätzliche Projektaufgaben oder mehrere Projekte im Sinne eines Multiprojektmanagements auf die Gesamtdauer der einzelnen Projekte auswirken. Durch den Einsatz zusätzlicher Arbeitspersonen kann theoretisch die Gesamtdauer eines Projektes verkürzt werden. Mit Hilfe der Simulation kann abgeschätzt werden, um welchen Prozentsatz sich die Gesamtdauer genau reduziert und ob sich zusätzliche Aufwände, die in der Regel höhere Gesamtkosten verursachen, im Verhältnis zu der gewonnenen Zeitersparnis lohnen. Meist werden in Unternehmen nicht nur Einzelprojekte, sondern mehrere Projekte zeitgleich durchgeführt. Für die verantwortlichen Projektmanagerinnen und Projektmanager stellt sich die Frage, wie die verschiedenen Projekte koordiniert, Termine abgestimmt, Arbeitspersonen und Einsatzmittel effizient eingesetzt und gegenseitige Störungen vermieden werden können. Mit der Simulationssoftware können hierfür szenariobasierte Untersuchungen durchgeführt werden, Auswirkungen unterschiedlicher Zuordnungen der Arbeitspersonen und Einsatzmittel auf die Vorgänge der einzelnen Projekte analysiert und potentielle Ressourcenengpässe und Ressourcenkonflikte im Projektverlauf identifiziert werden. Impressum ISSN Handreichungen für die betriebliche Praxis Herausgeber: Christopher M. Schlick Weiterführende Literatur Ergänzende Informationen zum hier dargestellten Thema sowie weitere Inhalte des Forschungsprojekts derobino finden Sie unter und in den dort genannten Veröffentlichungen. Autoren: Sebastian Terstegen, Sönke Duckwitz Ausgabe 6: Simulationsbasierte Projektplanung Aachen 2014 Titelbild: Shutterstock/everything possible Simulationsbasierte Projektplanung 7 7

8 Sebastian Terstegen Sönke Duckwitz Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft der RWTH Aachen Bergdriesch Aachen PROJEKTKONSORTIUM EUROPÄISCHE UNION DLR