Simulation der Dauer von

(1)

Simulation der Dauer von

Produktentwicklungsprozessen auf Basis von Design Struktur Matrizen g

Thomas Gärtner

Aachen, 5. September 2008

(2)

1 Herausforderungen in Produktentwicklungsprojekten

2 Methode der Design Struktur Matrix zur Beherrschung von Komplexität und zur

M d lli It ti d N h b it i E t i kl j kt

3

Modellierung von Iterationen und Nacharbeit in Entwicklungsprojekten

Entwicklung eines Simulationsmodells zur Abschätzung von

3 g g

Produktentwicklungsdauern und -kosten auf Basis der Design Struktur Matrix

4 Anwendung des Simulationsmodells in der Automobilindustrie

5 Identifikation von Prozessoptimierungspotenzialen durch systematische Parametervariation

2

(3)

Herausforderungen in Produktentwicklungsprojekten:

Iterationen und Änderung von Anforderungen

Produktentwicklungsprojekte sind geprägt durch:

Iterationen:

Geplante Iterationen stellen die Qualität sicher (z. B. spiral development process).Geplante Iterationen stellen die Qualität sicher (z. B. spiral development process).

Ungeplante Iterationen korrigieren falsche Informationen sowie ungültige Annahmen und erzeugen Mehrarbeit.

Gründe für ungeplante Iterationen:g p

- falsche Reihenfolge der Tätigkeiten - schlechte Kommunikation

- veränderter Input bewirkt eine Veränderung der Annahmen und Daten Irrtum bei versehentlich fehlerhaften Informationen

- Irrtum bei versehentlich fehlerhaften Informationen

- nicht erfasste falsche Annahmen, die als gesichert angenommen wurden

Nachträgliche Änderung von Produktanforderungen:

geänderte Gesetzgebung und Rahmenbedingungen

nachträgliche Optimierung des Produktes

Änderungen in einer parallel laufenden, damit verkoppelten Entwicklung

Die Folge von Iterationen und der Änderung der Produktanforderungen ist Mehrarbeit.

Laut einer Studie von Osborne bei Intel waren 13-70% (im Mittel: 33%) der gesamten Projektzeit Mehrarbeit!¹

3

Mehrarbeit!

1Quelle: Osborne, Sean M. (1993) Product Development Cycle Time Characterization through Modeling of Process Iteration, Master Thesis, MIT, Cambridge, MA.

(4)

Herausforderungen in Produktentwicklungsprojekten:

Komplexität von Informationszusammenhängen

Herausforderung: Erfassung von Informationsflüssen

Erfasste Beziehungen werden häufig vereinfacht.

Viele Beziehungen bleiben unberücksichtigt

Viele Beziehungen bleiben unberücksichtigt.

Iterationen sind nicht abbildbar.

Verkoppelte Aktivitäten sind nicht gut darstellbar.

Dokumentierter Informationsfluss Realer Informationsfluss

Herausforderung der Projektplanung in Produktentwicklungsprozessen:

Die Abschätzung von Produktentwicklungsdauern ist schwierig aufgrund komplexer Informationszusammenhänge, Iterationen und der Änderungen von Anforderungen.

4

Informationszusammenhänge, Iterationen und der Änderungen von Anforderungen.

(5)

Design Struktur Matrix

Darstellung von Informationszusammenhängen

... hängt ab von ... In der Design Struktur Matrix (DSM) können die Abhängigkeiten von

Aktivität 1

können die Abhängigkeiten von

Informationen zwischen Aktivitäten eines Prozesses dargestellt werden.

Aktivität 1 Aktivität 2

...

Vorteile:

Abbildung von komplexen und

hochgradig verkoppelten Prozessen

Aktivität 3

Aktivität 4 beeinflusst

feedback möglich

Iterationen darstellbar

kompakte Darstellungsform

... b

feed forward

Grad der Abhängigkeit darstellbar Nachteile:

Aktivität 6 erklärungsbedürftige Notation

Verzweigungen nicht eindeutig abbildbar

5

Quelle: nach Browning, 2001

(6)

Ableiten von Ablaufstrukturen aus der Design Struktur Matrix

Annahme: Erreichen einer möglichst kurzen Projektdauer!

Aktivität 1 Aktivität 2 Aktivität 1

Akti ität 2

Sequentielle Aktivitäten Sequenz von

Aktivitäten

Parallele Aktivitäten Akti ität 2

Aktivität 3

Akti ität 5 Aktivität 2

Akti ität 5 Parallele

Gekoppelte Aktivitäten

Aktivität 6

Gekoppelte Ak i i ä Aktivitäten

Parallele Aktivitäten Aktivität 3

Aktivitäten

6

Aktivität 5

Quelle: nach Browning, 2001

(7)

Vergleich der Abbildung eines Projektes in einer DSM und in einem Workflow

Design Struktur Matrix: Workflowdarstellung:

Aktivität 1

Aktivität 1

Aktivität 1

Aktivität 2 Aktivität 2

Aktivität 3 Aktivität 4

Aktivität 6 Aktivität 5 Aktivität 6

7

(8)

Entwicklung eines Simulationsmodells Charakteristika des Simulationsmodells:

Simulationsmodell zur Abschätzung der Produktentwicklungsdauer und -kosten auf Basis der DSM

Monte Carlo Simulation, implementiert in MATLAB

Abbildung mehrfacher Iterationen im Projekt

Berücksichtigung von Varianzen der Dauern und Kosten der Aktivitäten

Berücksichtigung von Änderungen der Produktanforderungen im Projekt

Abbildung von Lerneffekten über mehrere Iterationen

Abnahme der Iterationswahrscheinlichkeit

Abnahme der Mehrarbeit

Unterschiedliche Möglichkeiten zur Analyse der Ergebnisse Unterschiedliche Möglichkeiten zur Analyse der Ergebnisse

Abbildung der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Dauer und Kosten eines Projektes

Darstellung der Dauer-Kosten-Abhängigkeiten

Erstellung von Gantt-Charts

Risikomanagement durch Vergleich verschiedener Projektszenarien mittels

t ti h P t i ti

8

systematischer Parametervariation

Ableitung von Prozessoptimierungspotenzialen

(9)

Benötigter Input für das Simulationsmodell

Dauer und Kosten von Aktivitäten als Dreiecksverteilung

Abhängigkeitsmatrix: Verkopplung der Aktivitäten

Häufigkeit

g g pp g

durch Informationsabhängigkeiten

Wahrscheinlichkeitsmatrix: Wahrscheinlichkeit für das Auslösen einer Iteration

Mehrarbeitsmatrix: Anteil der Arbeit einer Aktivität, der in einer Iterationsschleife erneut durchgeführt werden muss

M t i Ab h d It ti h h i li hk it

WCV MLV

BCV Dauer

Matrix zur Abnahme der Iterationswahrscheinlichkeit:

Über die Anzahl der Iterationsschleifen sinkt die Wahrscheinlichkeit für weitere Iterationen

Zusätzlich für Produktänderungen:

Änderungsvektor: Angabe des Änderungsgrades eines Bauteils bzw einer Funktion

Bauteils bzw. einer Funktion

Änderungszeitpunkt

Produktmatrix: Verkopplung der Bauteile/Funktionen

Prozess-Produkt-Domain-Mapping-Matrix: Verbindung

9

Prozess-Produkt-Domain-Mapping-Matrix: Verbindung der Prozess- mit der Produktsicht

(10)

Abbildung von Wahrscheinlichkeiten für Iterationen in der Design Struktur Matrix

50 % Wahrscheinlichkeit, dass nach „mechanische Funktionen festlegen“ eine

Iteration zu „elektrische Iteration zu „elektrische Funktionsweise festlegen“

erfolgt.

0 5 0.5 0.75

einflusst ...

75 % Wahrscheinlichkeit,

... bee

dass „elektrische Funktionsweise festlegen“

Mehrarbeit für

„Funktionsumfänge

10

festlegen“ erzeugt.

... hängt ab von ...

(11)

Entwicklung eines Simulationsmodells Das Konzeptmodell

1 2 3 4

5 Simulation

Simulation mit Produktänderung 5

0,1 0,2 0,1 0,2 0,2

0,2 0,2 0,4 Aktivität 1

Aktivität 2

Aktivität 3 Prozess

Bauteil A Bauteil B Bauteil C

0,5 0,01 0,3 0,1

0,2 0,2

0,2 0,1

Produkt DSM

0 20 40 60 80 100 120 140 160

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Duration (d) A

c t i v i t y

2 3 1

Visualisierung 4

Produkt- änderung?

ja

7 8

, , ,

0,7 0,5 0,3 0,1 0,8 0,2 0,3

0,1 0,2 0,2

Produkt

Bauteil D DMM

Bauteil E

0,1

0,4 0,3

4 DSM

0,3

g

nein

6

Simulation ohne Produktänderung Produktänderung

Elemente des Simulationsmodells:

1. Abhängigkeitsmatrix

2. Iterationswahrscheinlichkeitsmatrix

3 Mehrarbeitsmatrix

5. Visualisierung (Gantt-Charts,

Wahrscheinlichkeitsverteilungen, Dauer- Kosten-Abhängigkeit)

3. Mehrarbeitsmatrix

4. Matrix mit Abnahme der Iterationswahrscheinlichkeit

6. Produktänderungsvektor

7. Produkt-DSM

8 Prozess-Produkt-DMM

11

8. Prozess Produkt DMM

(12)

Erläuterung der Funktionsweise des Simulationsmodells

Aktivitäten Dauer [Tage]

BCV MLV WCV

Abhängigkeits-

matrix 1 2 3 4

F kti Funktionen

definieren 1 10 10 10

Software

2 10 10 10

Funktionen

definieren 1 0 0 0 0

Software

entwickeln 2 1 0 0 0

entwickeln 2 10 10 10

Hardware

entwickeln 3 10 10 10

entwickeln Hardware

T t h 4 1 1 1 0

Testphase 4 10 10 10 Testphase 4 1 1 1 0

G tt Ch t h It ti Gantt-Chart ohne Iteration Funktionen

definieren 10 Tage S ft

Software

entwickeln 10 Tage

Hardware

entwickeln 10 Tage

12

Testphase 10 Tage

(13)

Erläuterung der Funktionsweise des Simulationsmodells

Iterationswahr-

scheinlichkeit 1 2 3 4

Funktionen

1 0 0 0 0

Mehrarbeits-

matrix 1 2 3 4

Funktionen

1 0 0 0 0

Funktionen

Software

entwickeln 2 0 0 0 0.8

Funktionen

Software

Hardware

Testphase 4 0 1 0 0

Hardware

Testphase 4 0 0.5 0

Testphase 4 0 1 0 0 Testphase 4 0 0.5 0

Abnahme der

Iterationsw 1 2 3 4 Gantt-Chart mit Iteration

Iterationsw.

Funktionen

Software

Funktionen

definieren 10 Tage Software

entwickeln 10 Tage 6

Software Tage

Hardware

entwickeln Tage

Hardware

entwickeln 10 Tage

Testphase 10 Tage 5

T

13

Testphase 4 0 0 0 0

p g

Tage

(14)

Simulation ohne Produktänderung am Beispiel Steuergerätesoftware

Beispiel: Entwicklung der Software eines Steuergerätes im Antriebsstrang

Wahrscheinlichkeitsverteilung der Dauer Abhängigkeit der Dauer und Kosten

ufe

150

140

mulationslä auer [ZE]

130

Anzahl Si D

120

110

Dauer [ZE] Kosten

100

0.8 1.0 1.2 1.4

Dauer [ZE]

Mittelwert: 121.9

Modus: 121.2

Varianz: 40.78

Kosten

14

5% Perzentil: 112.06 95% Perzentil: 132.80

(15)

Simulation ohne Produktänderung Projektdarstellung im Gantt-Chart

1 2 3

4 Iterationen

4 5 6 7 8 9

Iterationen

9 10 11 12

vitätenvitäten 13 14 15 16 17 18

AktivAktiv

19 20 21 22 23

0 20 40 60 80 100 120 140

24 25 26

15

Dauer [ZE]

(16)

Simulation mit Produktänderung

Verknüpfung der Prozess- mit der Produktsicht

Mehrarbeitsvektor

0,5 0,01 0,3 0,1

0,2 0,2

0,05 0,2

0,1 0,2 0,1 0,2 0,2

P

4,7 2,1 Bauteil A

Bauteil B

0,2 0,1

0,1

Produkt

DSM ^0,36

0,14

0,2 0,2 0,4

0,7 0,5 0,3 0,1 0,8

Prozess- Produkt-DMM

0,2 8,1 Bauteil C

Bauteil D

0,4 0,3 0,09

0,2 0,3

0,1 0,2 0,2

Vektor mit allen

3,6 3,2 Bauteil E

Produktänderungen

Änderungsvektor zum Zeitpunkt X

0,3 Simulation

16

g p

(17)

Simulation mit Produktänderung:

Entwicklung Steuergerätesoftware

Beispiel: Änderung der Anforderung im Projekt: „CAN-Buslast reduzieren“

Wahrscheinlichkeitsverteilung der Dauer Abhängigkeit der Dauer und Kosten

mit Produktänderung

släufe

mit

Produktänderung ohne

Produktänderung

Kosten

Simulations

ohne Produktänderung

Anzahl

Dauer [ZE]

Ohne Mit Produktänderung

Mittelwert 121,86 140,48

Median 121,51 139,97

Varianz 40,78 47,72

17

5% Perzentil 112,05 130,22

95% Perzentil 132,80 152,50

(18)

Simulation mit Produktänderung:

Projektdarstellung im Gantt-Chart

1 2 3 3 4 5 6 7 8 8 9 10 11 12

tätentäten 1313

14 15 16 17 18

AktivitAktivit

18 19 20 21 22

23 Zeitpunkt der Produktänderung

0 20 40 60 80 100 120 140 160

23 24 25 26

Zeitpunkt der Produktänderung

18

Dauer [ZE]

(19)

Ableitung von Prozessverbesserungspotenzialen

Hypothese: Eine Verlängerung der Bearbeitungsdauer einer Aktivität führt zu einer besseren Qualität ihres Outputs (Turnquist 2003) und damit zu einer p ( q ) geringeren Iterationswahrscheinlichkeit. Dadurch kann ggf. die Projektdauer gesenkt werden.

Betrachtung der Iteration von Review über Software Design“ nach

124 125 16

Betrachtung der Iteration von „Review über Software-Design“ nach

„Software-Design und Codierung“

122 123 124

14 15

Dauer Aktivität

ität [ZE] ktdauer [ZE]

120 121 12

13 simulierte Projektdauer

Dauer Aktivi mulierte Projek

118 119 10

11 ^Si

m

19

0.40 0.30 0.20 0.10 0.00

Iterationswahrscheinlichkeit

(20)

Zusammenfassung & Ausblick

Zusammenfassung:

Design Struktur Matrix als Methodik zur Modellierung komplexer Projekte

Vorhersage- und Optimierungsmodell für die Dauer und Kosten von CE-Projekten

Berücksichtigung der Haupteinflussfaktoren für die ungeplante Verlängerung von g g p g p g g Projekten: Iterationen und die Änderung von Produktanforderungen

Durchführung von Parameterstudien zur Ableitung von Maßnahmen zur Prozessverbesserung

Validierung anhand verschiedener Entwicklungsprojekte Geplante Schritte:

Implementierung der Möglichkeit Tätigkeiten zu überlappen p g g g pp

Durchführung weiterer Verifikationsstudien

Umsetzung der Prozessoptimierungsmaßnahmen

20

g p g

(21)

VIELEN DANK

fü Ih A f k k it für Ihre Aufmerksamkeit

Di l I U i Dipl.-Ing. Univ.

Thomas Gärtner

RWTH Aachen - Institut für Arbeitswissenschaft Bergdriesch 27 D 52062 Aachen

Bergdriesch 27 • D-52062 Aachen Tel.: 0241 / 80-99465

t.gaertner@iaw.rwth-aachen.de

21

Simulation der Dauer von