Vernetzte Prozesse und Ressourcenzuverlässigkeit

Diplomarbeit von Thomas Paul

Einleitung:

Für die Planung und Analyse vernetzter Prozesse steht mit der Netzplantechnik ein Instrument zur Verfügung, welches sich durch relativ einfache Anwendbarkeit bei hohem Informationsgehalt auszeichnet. Die Strukturen vernetzter Prozesse lassen sich realitätsnah abbilden und hinsichtlich diverser Parameter, wie z.B. Zeit, Ressourcenkapazitäten und Kosten, unter Berücksichtigung entsprechender Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Teilprozessen, analysieren.

Neben den bereits genannten Parametern hat in den letzten Jahren ein weiterer Faktor wesentlich an Bedeutung gewonnen: die Zuverlässigkeit. Die Gründe hierfür sind vielschichtig und reichen vom allgemeinen Wandel der primären Unternehmensziele - früher hohe Kapazitätsauslastung, heute minimale Abweichung der Liefertermintreue bei niedrigen Durchlaufzeiten - bis hin zu den wirtschaftlichen Folgen teilweiser oder auch vollständiger Produktionsstillstände auf Grund unzureichender Absicherung gegen potenzielle Ausfälle der eingesetzten maschinellen und personellen Ressourcen.

Konkrete Kenntnisse über die bestehenden bzw. erforderlichen Zuverlässigkeiten einzelner Ressourcen sind in vielerlei Hinsicht von hoher Bedeutung. Sie bilden die Basis für Investitionsentscheidungen, die Festlegung von Instandhaltungsstrategien und die Ressourceneinsatzplanung.

Trotz der vielfältigen Entwicklungen auf dem Gebiet der Netzplantechnik ist der Integration des Parameters Zuverlässigkeit wenig Beachtung geschenkt worden. Die Methoden der stochastischen Netzplantechnik und der projektorientierten Risikoanalyse, die für diesen Anwendungszweck geeignet wären, erfordern einen derart hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand, dass die Wirtschaftlichkeit einer solchen Analyse mit zunehmender Komplexität des zu untersuchenden Systems stark abnimmt. Mit den Methoden der Zuverlässigkeitstechnik (z.B. Fehlerbaumanalyse, Zuverlässigkeits-Blockdiagramm, Markov-Modelle, etc.) können zwar Zuverlässigkeitsanalysen für komplexe Systeme durchgeführt werden, jedoch stoßen diese bei der Analyse vernetzter Prozesse schnell an ihre Grenzen.

Inhaltsverzeichnis:

I.	INHALTSVERZEICHNIS	1
II.	DARSTELLUNGSVERZEICHNIS	3
III.	ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS	5
1.	EINLEITUNG	6
1.1	Problembeschreibung	6
1.2	Aufgabenstellung und Vorgehensweise	7
2.	GRUNDLAGEN	8
2.1	Netzplantechnik	8
2.1.1	Anwendungsgebiete der Netzplantechnik	8
2.1.2	Entstehung und Entwicklung	8
2.1.3	Darstellungsverfahren der Netzplantechnik	10
2.1.4	Aufwand und Nutzen des Einsatzes der Netzplantechnik	15
2.2	Zuverlässigkeitstechnik	17
2.2.1	Begriffsabgrenzung	17
2.2.2	Wirtschaftliche Bedeutung der Zuverlässigkeit	17
2.2.3	Methoden der Zuverlässigkeitstechnik	19
2.2.3.1	Zuverlässigkeitsgraphen	19
2.2.3.2	Zuverlässigkeits-Blockdiagramme	20
2.2.3.3	Fehlerbaum-Analyse	23
2.2.3.4	Markov-Modelle	26
3.	EVALUATION BESTEHENDER METHODEN UND ANSÄTZE	28
3.1	Evaluationskriterien	28
3.2	Literaturüberblick und Vorauswahl relevanter Methoden und Ansätze	29
3.2.1	Literaturüberblick	29
3.2.2	Auswahl relevanter Methoden und Ansätze	31
3.3	Evaluation ausgewählter Methoden und Ansätze	32
3.3.1	Program Evaluation and Review Technique (PERT)	32
3.3.1.1	Aufbau von PERT-Netzplänen	32
3.3.1.2	Parameteranalyse mit PERT	32
3.3.1.3	Möglichkeiten zur Integration der Ressourcenzuverlässigkeit	33
3.3.1.4	Praxistauglichkeit	36
3.3.2	Graphical Evaluation and Review Technique (GERT)	36
3.3.2.1	Aufbau von GERT-Netzplänen	37
3.3.2.2	Analyse von Zeit, Kosten und Kapazitäten mit GERT	39
3.3.2.3	Möglichkeiten zur Integration der Ressourcenzuverlässigkeit	39
3.3.2.4	Praxistauglichkeit	41
3.3.3	Fertigungsprozessgraphen	42
3.3.3.1	Aufbau und Einsatz	42
3.3.3.2	Parameteranalyse mit Fertigungsprozessgraphen	44
3.3.3.3	Möglichkeiten zur Integration der Ressourcenzuverlässigkeit	44
3.3.3.4	Praxistauglichkeit	45
3.4	Evaluationsergebnis und Entwicklungsbedarf	45
4.	ENTWICKLUNG EINES ANSATZES ZUR ERWEITERUNG DER INTEGRIERTEN NETZPLANTECHNIK	47
4.1	Konkretisierung des festgestellten Entwicklungsbedarfs	47
4.2	Auswahl geeigneter Methoden	47
4.2.1	Festlegen der Auswahlkriterien	47
4.2.2	Auswahl eines geeigneten Verfahrens der Netzplantechnik	48
	Vergleichende Betrachtung des Anwendungsaufwands	50
	Vergleichende Betrachtung der erforderlichen methodischen Kenntnisse	50
	Vergleichende Betrachtung des Revisionsaufwands	50
4.2.3	Auswahl eines geeigneten Instruments der Zuverlässigkeitsanalyse	51
	Visualisierungsmöglichkeiten komplexer Ressourcenkombinationen	51
	Anwendungsaufwand	53
	Erforderliche methodischen Kenntnisse	53
	Revisionsaufwand	53
	Zusammenfassung der Ergebnisse	53
4.2.4	Ergebnis des Auswahlverfahrens	54
4.3	Erweiterung der Netzplantechnik um den Parameter der Ressourcenzuverlässigkeit	55
4.3.1	Integrierte Netzplantechnik unter Verwendung von Vorgangsknotennetzen	55
4.3.2	Darstellungsmöglichkeiten von Ressourcenkombinationen mittels Zuverlässigkeits-Blockdiagramm	56
4.3.3	Graphische Verknüpfung von Vorgangsknotennetzen und Zuverlässigkeits-Blockdiagrammen	59
4.3.4	Analyse und Optimierung von Prozessen unter Verwendung eines Zuverlässigkeits-Netzplans	63
4.3.5	Analyse komplexer vernetzter Prozesse	68
4.4	Fazit und Ausblick	71
5.	LITERATURVERZEICHNIS	72

Textprobe:

Kapitel 4, Entwicklung eines Ansatzes zur Erweiterung der Integrierten Netzplantechnik:

Konkretisierung des festgestellten Entwicklungsbedarfs:

Die Evaluation hat gezeigt, dass keine der untersuchten Methoden, explizit für die Analyse vernetzter Prozesse unter besonderer Berücksichtigung der Ressourcenzuverlässigkeit geeignet ist. Da sich die deterministischen Modelle der Integrierten Netzplantechnik für die Planung und Analyse von Prozessen und Projekten in der Praxis bewährt haben und in nahezu allen Branchen Anwendung finden, ist es nahe liegend, einen Ansatz zu entwickeln, der auf einem solchen Modell aufbaut. Das zu entwickelnde Modell soll eine erweiterte graphische Darstellung und eine Analyse der Ressourcenzuverlässigkeit vernetzter Prozesse ermöglichen. Da die geplante Erweiterung nur die Komponente der Zuverlässigkeit eingeplanter Ressourcen betrifft, liegt es auf der Hand, ein geeignetes Instrument der Zuverlässigkeitsanalyse mit der Netzplantechnik zu kombinieren. Es gilt daher zunächst herauszufinden, welche Methoden bzw. Instrumente sich derartig kombinieren lassen, dass die Forderungen der Aufgabenstellung zufrieden stellend erfüllt werden.

Auswahl geeigneter Methoden:

Festlegen der Auswahlkriterien:

Da die Evaluationskriterien auf Grund ihrer Ausrichtung auf eine umfassende Methodik zu Lösung der Problemstellung nicht eins zu eins auf die Auswahl der zu kombinierenden Methoden übertragen werden kann, werden die Kriterien im Folgenden entsprechend umformuliert.

Die Verfahren der Netzplantechnik und die Instrumente der Zuverlässigkeitstechnik werden in den folgenden Kapiteln einer Evaluation unterzogen. Da alle Kriterien wenigstens ansatzweise erfüllt werden müssen, wird die Bewertung abgebrochen, sobald ein Verfahren oder Instrument ein Kriterium nicht erfüllt.

Auswahl eines geeigneten Verfahrens der Netzplantechnik:

Visualisierung vorgangsorientierter Prozesse/ Projekte:

Für die Visualisierung von Projekten und Prozessen sind, in Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen an den Detaillierungsgrad, prinzipiell Vorgangsknoten-, Vorgangspfeil- und Ereignisknotennetze gleichermaßen geeignet. Unter Berücksichtigung der geforderten Fokussierung auf einzelne Vorgänge kommen die Unterschiede der drei Verfahren deutlicher zum Tragen.

Ereignisknotennetze sind für eine vorgangsorientierte Darstellung ungeeignet, da zwischen den dargestellten Ereignissen mehrere Vorgänge liegen können. Da diese Kriterium von den Ereignisknotennetzen nicht erfüllt wird, wird die Evaluation an dieser Stelle abgebrochen.

Vorgangspfeilnetze sind, durch ihre Ausrichtung auf die Vorgänge und deren Anordnungsbeziehungen, zwar besser geeignet als Ereignisknotennetze, weisen allerdings gegenüber den Vorgangsknotennetzen diverse Nachteile, wie z.B. notwendige Scheinvorgänge, auf.

Der Vorteil von Vorgangsknotennetzen liegt in der eindeutigen Abbildung des zu untersuchenden Prozesses. Es sind keine Scheinvorgänge nötig und durch die Möglichkeit der Abbildung unterschiedlicher Anordnungsbeziehungen ermöglichen sie eine realistische Darstellung vernetzter Prozesse.

Vorgangsorientierte Parameteranalyse:

Für eine vorgangsorientierte Parameteranalyse sind Vorgangspfeil- und Vorgangsknotennetze gleichermaßen gut geeignet, da die strukturellen Unterschiede der Methoden keinen nennenswerten Einfluss auf die rechnerische Analyse haben.

Darstellung vorgangsspezifischer Informationen:

Vorgangsspezifische Informationen können in Vorgangspfeilnetzen nur begrenzt untergebracht werden, da die Angaben direkt neben die Pfeile geschrieben werden müssen.

Durch die Möglichkeit der individuellen Anpassung der Knotenaufteilung in Vorgangsknotennetzen sind diese gegenüber den Vorgangspfeilnetzen besser geeignet, um umfangreiche Informationen übersichtlich darzustellen.

Leichtes Erfassen von Vorgangsbeziehungen:

Vorgangspfeilnetze lassen nur eine Art der Anordnungsbeziehung zu und können Scheinvorgänge beinhalten, wodurch die Lesbarkeit des Netzplans beeinträchtigt wird.

Das Fehlen von Scheinvorgängen und die Flexibilität in der Verwendung unterschiedlicher Anordnungsbeziehungen sind in der Vorgangsknotendarstellung von Vorteil. Die volle Punktzahl wird dennoch nicht erreicht, da die visuelle Erfassung eines Vorgangsknotennetzes mit verschiedenen Vorgangsverknüpfungen auch etwas Übung erfordern kann. Da die Informationen über die unterschiedlichen Anordnungsbeziehungen hauptsächlich für die Netzplanberechnung relevant sind, ist deren graphische Darstellung jedoch nicht immer erforderlich.

Vergleichende Betrachtung des Anwendungsaufwands:

Vorgangspfeilnetze schneiden diesbezüglich schlecht ab, da die Erstellung auf Grund notwendiger Scheinvorgänge einen relativ hohen Aufwand erfordert.

Vorgangsknotennetze liegen in punkto Aufwand vor den Vorgangspfeilnetzen. Diese Bewertung kann auch wieder durch das vorteilhafte Fehlen von Scheinvorgängen begründet werden.

Vergleichende Betrachtung der erforderlichen methodischen Kenntnisse:

Die erforderlichen methodischen Kenntnisse für Vorgangspfeil- und Vorgangsknotennetze befinden sich auf nahezu gleichem Niveau, so dass beide Verfahren die gleiche Wertung erhalten.

Vergleichende Betrachtung des Revisionsaufwands:

Änderungen und Anpassungen lassen sich in Vorgangsknotennetzen vergleichsweise einfach realisieren, so dass dieses Kriterium vollständig erfüllt wird. Durch die Verwendung von Scheinvorgängen kann bei Vorgangspfeilnetzen im Falle nachträglicher Änderungen eine komplette Neuerstellung des gesamten Netzplanes erforderlich sein, so dass die Wertung entsprechend gering ausfällt.

Zusammenfassung der Ergebnisse:

Die vergleichende Betrachtung der drei Netzplan-Verfahren hat gezeigt, dass das Verfahren der Vorgangsknotendarstellung die gestellten Anforderungen mit Abstand am besten erfüllt. Die Ereignisknotennetze sind zur Lösung der vorliegenden Problemstellung auf Grund der ereignisorientierten Ausrichtung nicht geeignet.

Auswahl eines geeigneten Instruments der Zuverlässigkeitsanalyse:

Visualisierungsmöglichkeiten komplexer Ressourcenkombinationen:

Die im Rahmen eines Vorgangs eingesetzten Ressourcen können auf unterschiedliche Weise miteinander kombiniert sein. Die einfachsten Anordnungen bestehen aus zwei Ressourcen, die entweder in Serie oder parallel geschaltet sind. Ein Seriensystem ist z.B. bei einem Arbeitssystem gegeben, das aus einer Maschine und einem Bediener besteht. Bei einem Parallelsystem kann es sich z.B. um die redundante Anordnung zweier Maschinen innerhalb einer Fertigungslinie handeln. Wie im Kapitel Grundlagen bereits dargelegt wurde, können Serien- und Parallelsysteme zu so genannten komplexen Mischanordnungen kombiniert werden und beispielsweise als Blockdiagramm dargestellt werden.

Das Zuverlässigkeits-Blockdiagramm zeichnet sich in punkto Visualisierung durch die sehr übersichtliche Darstellung aus. Das gleiche System kann auch als Erfolgsbaum dargestellt werden.

Die Unterscheidung zwischen Serien- und Parallelschaltung wird im dargestellten Erfolgsbaum über definierte Bildzeichen realisiert. Die Visualisierungsmöglichkeiten entsprechen denen des Zuverlässigkeits-Blockdiagramms.

Die Visualisierung in Form eines Zuverlässigkeitsgraphen ist nicht möglich, da es hier keine Möglichkeit der ODER-Verknüpfung gibt. Die Darstellung 42 ist in so fern nicht brauchbar, da dass Netz innerhalb eines Durchlaufs sowohl vorwärts, als auch rückwärts, z.B. über die Knotenfolge "S-e1-e4-e2-e3-e6-e7-e8-Z" durchlaufen werden kann. Da jedoch die Ressourcen e1 und e2 die gleiche Funktion besitzen und lediglich redundant angeordnet sind, damit im Fall des Ausfalls einer Ressource der Vorgang trotzdem ausgeführt werden kann, macht es keinen Sinn innerhalb eines Durchlaufs beide Ressourcen in Anspruch zu nehmen. Zuverlässigkeitsgraphen sind folglich nicht für die Visualisierung komplexer Ressourcenkombinationen geeignet, was zum Abbruch der Evaluation von Zuverlässigkeitsgraphen führt.

Markov-Modelle sind, auf Grund ihrer Ausrichtung auf zustandsorientierte Analysen, ebenfalls nicht für die Visualisierung von Ressourcenkombinationen geeignet, so dass auch hier die Evaluation abgebrochen wird.

Möglichkeiten zur probalistischen Analyse:

Die Möglichkeiten der Zuverlässigkeits-Blockdiagramme und der Fehlerbaum-Analyse sind als gleichwertig zu sehen, da beide Instrumente auf der Boolschen Algebra basieren.

Visuelle Erfassung von Ressourcenbeziehungen:

Die visuelle Erfassung der Beziehungen einzelner Ressourcen eines Vorgangs oder Arbeitssystems zueinander gestaltet sich bei den Zuverlässigkeits-Blockdiagrammen einfacher, als in der Darstellung als Erfolgsbaum. Blockdiagramme ermöglichen durch die räumliche Anordnung der Elemente zueinander eine schnelle und einfache visuelle Erfassung der Elementbeziehungen, während diese beim Erfolgsbaum über die Bildzeichen interpretiert werden müssen.