Simulation der Dauer von Produktentwicklungsprozessen auf Basis von
Design Struktur Matrizeng
Thomas GärtnerAachen, 5. September 2008
© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
1 Herausforderungen in Produktentwicklungsprojekten
2Methode 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 gProduktentwicklungsdauern und -kosten auf Basis der Design Struktur Matrix
4 Anwendung des Simulationsmodells in der Automobilindustrie
5 Identifikation von Prozessoptimierungspotenzialen durch systematische Parametervariation
2© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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 Annahmenund 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 Rahmenbedingungengeänderte Gesetzgebung und Rahmenbedingungennachträgliche Optimierung des ProduktesÄnderungen 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© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Mehrarbeit!
1Quelle: Osborne, Sean M. (1993) Product Development Cycle Time Characterization through Modeling of Process Iteration, Master Thesis, MIT, Cambridge, MA.
Herausforderungen in Produktentwicklungsprojekten: Komplexität von Informationszusammenhängen
Herausforderung: Erfassung von InformationsflüssenErfasste Beziehungen werden häufig vereinfacht.Viele Beziehungen bleiben unberücksichtigtViele 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© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Informationszusammenhänge, Iterationen und der Änderungen von Anforderungen.
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 beei
nflu
sst
feedback möglichIterationen darstellbarkompakte Darstellungsform
Aktivität 4
Aktivität 5
... b
feed forward
Grad der Abhängigkeit darstellbar
Nachteile:
Aktivität 6 erklärungsbedürftige NotationVerzweigungen nicht eindeutig abbildbar
5© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH AachenQuelle: nach Browning, 2001
Ableiten von Ablaufstrukturen aus der Design Struktur Matrix
Annahme: Erreichen einer möglichst kurzen Projektdauer!
Aktivität 1 Aktivität 2Aktivität 1
Akti ität 2
Sequentielle AktivitätenSequenz von Aktivitäten
Parallele Aktivitäten
Akti ität 2
Aktivität 3
Aktivität 2
Aktivität 3
Akti ität 5
Aktivität 2
Aktivität 4Aktivität 4
Akti ität 5Parallele
Gekoppelte Aktivitäten
Aktivität 5
Aktivität 6
Aktivität 5
Aktivität 6 Gekoppelte Ak i i ä
Aktivitäten
Parallele Aktivitäten
Aktivität 3
Aktivitäten
6© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Aktivität 3
Aktivität 4Aktivität 5
Quelle: nach Browning, 2001
Vergleich der Abbildung eines Projektes in einer DSM und in einem Workflow
Design Struktur Matrix: Workflowdarstellung:
Aktivität 1
Aktivität 1
Aktivität 1
Aktivität 2Aktivität 2
Aktivität 3
Aktivität 4
Aktivität 5
Aktivität 3 Aktivität 4
Aktivität 6 Aktivität 5 Aktivität 6
7© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Entwicklung eines SimulationsmodellsCharakteristika des Simulationsmodells:
Simulationsmodell zur Abschätzung der Produktentwicklungsdauer und -kosten auf Basis der DSMMonte Carlo Simulation, implementiert in MATLABAbbildung mehrfacher Iterationen im ProjektBerücksichtigung von Varianzen der Dauern und Kosten der AktivitätenBerücksichtigung von Varianzen der Dauern und Kosten der AktivitätenBerücksichtigung von Änderungen der Produktanforderungen im ProjektAbbildung von Lerneffekten über mehrere Iterationen
Abnahme der IterationswahrscheinlichkeitAbnahme der Mehrarbeit
Unterschiedliche Möglichkeiten zur Analyse der ErgebnisseUnterschiedliche Möglichkeiten zur Analyse der ErgebnisseAbbildung der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Dauer und Kosten eines ProjektesDarstellung der Dauer-Kosten-AbhängigkeitenDarstellung der Dauer-Kosten-AbhängigkeitenErstellung von Gantt-Charts
Risikomanagement durch Vergleich verschiedener Projektszenarien mittels t ti h P t i ti
8© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
systematischer ParametervariationAbleitung von Prozessoptimierungspotenzialen
Benötigter Input für das Simulationsmodell
Dauer und Kosten von Aktivitäten als DreiecksverteilungAbhängigkeitsmatrix: Verkopplung der Aktivitäten
Häufigkeit
g g pp gdurch InformationsabhängigkeitenWahrscheinlichkeitsmatrix: Wahrscheinlichkeit für das Auslösen einer IterationMehrarbeitsmatrix: 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
WCVMLVBCV 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 FunktionBauteils bzw. einer FunktionÄnderungszeitpunktProduktmatrix: Verkopplung der Bauteile/FunktionenProzess-Produkt-Domain-Mapping-Matrix: Verbindung
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Prozess-Produkt-Domain-Mapping-Matrix: Verbindung der Prozess- mit der Produktsicht
Abbildung von Wahrscheinlichkeiten für Iterationen in der Design Struktur Matrix
50 % Wahrscheinlichkeit, dass nach „mechanische
Funktionen festlegen“ eine Iteration zu „elektrischeIteration zu „elektrische
Funktionsweise festlegen“ erfolgt.
0 50.50.75
einf
luss
t ...
75 % Wahrscheinlichkeit,
... b
ee
dass „elektrische Funktionsweise festlegen“
Mehrarbeit für „Funktionsumfänge
10© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
festlegen“ erzeugt.
... hängt ab von ...
Entwicklung eines SimulationsmodellsDas Konzeptmodell
1
2
3
4
5
SimulationSimulation mit Produktänderung
5
0,1 0,2 0,1 0,2
0,2
0,2 0,2 0,4
Aktivität 1
Aktivität 2
Aktivität 3Prozess
Bauteil A
Bauteil B
Bauteil C
0,5 0,01 0,3 0,1
0,2 0,2
0,2 0,1Produkt
DSM0 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)
Activity
23
1
4Visualisierung
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
Aktivität 4
Aktivität 5
Aktivität 6
Produkt DMM
Bauteil D
Bauteil E
0,1
0,4 0,3
DSM4
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
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8. Prozess Produkt DMM
Erläuterung der Funktionsweise des Simulationsmodells
Aktivitäten Dauer [Tage]
BCV MLV WCV
Abhängigkeits-matrix 1 2 3 4
F ktiFunktionendefinieren 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 entwickeln 3 1 0 0 0
T t h 4 1 1 1 0Testphase 4 10 10 10 Testphase 4 1 1 1 0
G tt Ch t h It tiGantt-Chart ohne Iteration
Funktionen definieren 10 Tage
S ftSoftware entwickeln 10 Tage
Hardware entwickeln 10 Tage
12© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Testphase 10 Tage
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 0Funktionen definieren 1 0 0 0 0
Software entwickeln 2 0 0 0 0.8
Funktionen definieren 1 0 0 0 0
Software entwickeln 2 0 0 0 0.6
Hardware entwickeln 3 0 0 0 0
Testphase 4 0 1 0 0
Hardware entwickeln 3 0 0 0 0
Testphase 4 0 0.5 0Testphase 4 0 1 0 0 Testphase 4 0 0.5 0
Abnahme der Iterationsw 1 2 3 4 Gantt-Chart mit IterationIterationsw.
Funktionen definieren 1 0 0 0 0
Software
Funktionen definieren 10 Tage
Software entwickeln 10 Tage 6
TageSoftware entwickeln 2 0 0 0 0.9
Hardware entwickeln 3 0 0 0 0
entwickeln TageHardware entwickeln 10 Tage
Testphase 10 Tage 5 T
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Testphase 4 0 0 0 0
p g Tage
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
mul
atio
nslä
auer
[ZE]
130
Anz
ahl S
i D
120
110
Dauer [ZE] Kosten
1000.8 1.0 1.2 1.4
Dauer [ZE]
Mittelwert: 121.9Modus: 121.2Varianz: 40.78
Kosten
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5% Perzentil: 112.0695% Perzentil: 132.80
Simulation ohne ProduktänderungProjektdarstellung im Gantt-Chart
1
2
3
4 Iterationen4
5
6
7
8
9
Iterationen
9
10
11
12
13
vitä
ten
vitä
ten
14
15
16
17
18
Akt
ivA
ktiv
19
20
21
22
23
0 20 40 60 80 100 120 140
24
25
26
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Dauer [ZE]
Simulation mit ProduktänderungVerknüpfung 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
Aktivität 1
Aktivität 2
P
4,7
2,1Bauteil A
Bauteil B
0,2 0,1
0,1
ProduktDSM
0,36
0,14
0,2 0,2 0,4
0,7 0,5 0,3 0,1 0,8
Aktivität 3
Aktivität 4
Prozess-Produkt-DMM
0,2
8,1Bauteil C
Bauteil D
0,4 0,3 0,090,2 0,3
0,1 0,2 0,2
Aktivität 5
Aktivität 6Vektor mit allen
3,6
3,2Bauteil E
Produktänderungen
Änderungsvektor zum Zeitpunkt X
0,3 Simulation
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g p
Simulation mit Produktänderung:Entwicklung Steuergerätesoftware
Beispiel: Änderung der Anforderung im Projekt: „CAN-Buslast reduzieren“
Wahrscheinlichkeitsverteilung der Dauer Abhängigkeit der Dauer und Kostenmit
Produktänderung
släu
fe mitProduktänderung
ohneProduktänderung
Kos
ten
Sim
ulat
ions
ohne Produktänderung
Anz
ahl
Dauer [ZE]Dauer [ZE]
Ohne Mit Produktänderung
Mittelwert 121,86 140,48
Median 121,51 139,97
Varianz 40,78 47,72
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5% Perzentil 112,05 130,22
95% Perzentil 132,80 152,50
Simulation mit Produktänderung:Projektdarstellung im Gantt-Chart
1
2
33
4
5
6
7
88
9
10
11
12
13täte
ntä
ten
13
14
15
16
17
18
Akt
ivit
Akt
ivit
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
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Dauer [ZE]
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
12516
Betrachtung der Iteration von „Review über Software-Design“ nach „Software-Design und Codierung“
122
123
124
14
15
Dauer Aktivitätität [
ZE]
ktda
uer [
ZE]
120
121
12
13simulierte Projektdauer
Dau
er A
ktiv
i
mul
iert
e Pr
ojek
118
119
10
11
Sim
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0.40 0.30 0.20 0.10 0.00Iterationswahrscheinlichkeit
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 überlappenp g g g pp
Durchführung weiterer Verifikationsstudien
Umsetzung der Prozessoptimierungsmaßnahmen
20© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
g p g
VIELEN DANK fü Ih A f k k itfür Ihre Aufmerksamkeit
Di l I U iDipl.-Ing. Univ.Thomas Gärtner
RWTH Aachen - Institut für ArbeitswissenschaftBergdriesch 27 D 52062 AachenBergdriesch 27 • D-52062 AachenTel.: 0241 / [email protected]
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