Prozessvarianten: Wie sich tatsächliche Ablaufwege unterscheiden

Was Prozessvarianten bedeuten

Eine Variante ist zunächst eine datenbezogene Gruppierung. Sie ist weder automatisch ein freigegebener Prozessweg noch eine Abweichung. Ob ein beobachteter Pfad zulässig, unerwünscht, notwendig oder nur durch mangelhafte Ereignisdaten entstanden ist, muss fachlich beurteilt werden.

Beispiel: Vier Wege bis zur Freigabe oder Sperrung

Ein vereinfachtes, fiktives Ereignislog enthält 20 abgeschlossene Fälle. Zwei Fälle gehören in diesem Beispiel genau dann zur gleichen Variante, wenn ihre vollständige Aktivitätsfolge übereinstimmt. Die Betrachtung beginnt mit dem Abschluss der Herstellung und endet mit Freigabe oder Sperrung.

B und C sind verschiedene Varianten, obwohl sie die Nacharbeitsfolge teilen. Die zusätzliche Prüfung verändert die vollständige Folge. Umgekehrt können zwei Fälle der Variante A unterschiedlich lange dauern oder verschiedene Ressourcen verbrauchen, ohne nach dieser Gruppierungsregel zu unterschiedlichen Varianten zu gehören.

Die Tabelle enthält keine Zeit- oder Verbrauchsmessungen. Aus ihr lässt sich deshalb weder die schnellste Variante noch eine Ursache für Nacharbeit bestimmen. Sie zeigt zunächst, welche Ausführungswege in diesem fiktiven Bestand wie häufig vorkommen. Für eine Leistungsanalyse müssten die einzelnen Fälle mit den entsprechenden Messungen und Vergleichsbedingungen verbunden werden.

Zuerst festlegen, wann zwei Folgen als gleich gelten

Im 20-Fälle-Beispiel gilt die vollständige Aktivitätsfolge als Gleichheitsregel. Damit sind B und C wegen der Zusatzprüfung verschieden. Zeiten, Materialmengen und ausführende Personen verändern diese Zuordnung hier nicht. Für eine andere Frage könnte eine andere Vergleichsregel erforderlich sein.

Fachlich klare Prozessereignisse sind Voraussetzung. Werden Start und Abschluss einer Prüfung zusammengelegt, entstehen andere Folgen als bei getrennter Betrachtung. Auch der Wechsel vom Chargen- zum Aufgabenfall verändert die Gruppierung.

Bei überlappenden Tätigkeiten kann eine künstliche Totalordnung Unterschiede erzeugen, die lediglich aus der Sortierung stammen. Schuster und Kollegen untersuchen Varianten aus partiell geordneten Ereignisdaten.[2] Zeitgleichheit und Reihenfolge sind daher ausdrücklich zu behandeln.

Am Rand des Beobachtungszeitraums noch laufende Fälle dürfen nicht ungeprüft als abgebrochen gelten. Ebenso müssen technische Mehrfachzustellungen von tatsächlichen Wiederholungen unterschieden werden. Beide Entscheidungen verändern die sichtbaren Varianten und gehören zur dokumentierten Aufbereitung. Das Process Mining Manifesto zählt unvollständige Ereignisdaten, Ausreißer und die Zuordnung von Ereignissen zu Fällen zu den Hürden der Datenaufbereitung, ohne diese beiden Fälle einzeln zu behandeln.[1]

Vom einzelnen Trace zur wiederkehrenden Variante

In einem klassischen Ereignislog werden die Ereignisse eines Falls zeitlich beziehungsweise logisch geordnet. Die dadurch entstehende Folge wird als Trace bezeichnet. Enthält ein Fall die Aktivitäten A, B, C und D, kann sein Trace vereinfacht als ⟨A, B, C, D⟩ dargestellt werden.

Wiederholt sich dieselbe Folge bei weiteren Fällen, werden diese Ausführungen derselben Trace-Variante zugeordnet. Das Process Mining Manifesto beschreibt Ereignislogs als Ausgangspunkt für die Entdeckung, Überwachung und Verbesserung realer Prozesse.^[1] Die Variantenperspektive verdichtet viele einzelne Fälle, ohne sie zu einem einzigen Durchschnittsprozess zu verschmelzen.

Diese Verdichtung ist nützlich, weil reale Logs schnell Tausende Fälle enthalten können. Statt jede Charge einzeln zu betrachten, lässt sich zunächst erkennen, welche Aktivitätsfolgen häufig, selten oder nur in einem bestimmten Zeitraum vorkommen. Von der Variante kann anschließend zu den konkreten Fällen und ihren vollständigen Kontextdaten zurückgegangen werden.

Varianten unterscheiden sich nicht nur durch zusätzliche Schritte

Ein Ablauf kann auf verschiedene Weise von einem anderen abweichen:

• Einfügen: Eine zusätzliche Prüfung, Korrektur oder Nacharbeit tritt auf.
• Auslassen: Eine erwartete Aktivität erscheint im Trace nicht.
• Reihenfolge: Zwei Tätigkeiten werden in unterschiedlicher Abfolge ausgeführt.
• Wiederholung: Eine Aktivität oder Teilfolge wird mehrfach durchlaufen.
• Verzweigung: Eine Entscheidung führt zu einem alternativen Prozessweg.
• Abbruch: Der Fall endet vor einem erwarteten Abschlusszustand.

Für große Variantenmengen genügt eine bloße Liste häufig nicht. Vergleichsverfahren können Unterschiede auf Ebene einzelner Aktivitäten, direkt aufeinanderfolgender Beziehungen oder vollständiger Traces untersuchen. Taymouri, La Rosa und Carmona zeigen, dass niedrig granulare Vergleiche sehr viele Einzelunterschiede erzeugen können und schlagen deshalb eine statistische Betrachtung vollständiger Trace-Strukturen vor.^[3]

Welche Darstellung angemessen ist, hängt von der Frage ab. Für eine konkrete Abweichungsuntersuchung kann ein einzelner zusätzlicher Prüfschritt wichtig sein. Für den Vergleich zweier Standorte ist möglicherweise das Muster mehrerer zusammenhängender Unterschiede aussagekräftiger.

Prozessmuster konzentrieren sich auf solche wiederkehrenden lokalen Strukturen, die innerhalb mehrerer vollständiger Varianten auftreten können.

Häufigkeit zeigt Verbreitung, nicht Qualität

Eine der einfachsten Auswertungen ist die Häufigkeitsverteilung. Sie zeigt, wie viele Fälle jeder Variante zugeordnet sind und welchen Anteil sie am betrachteten Log besitzt. Häufig lässt sich ein großer Teil aller Ausführungen durch wenige Varianten beschreiben, während daneben viele seltene Wege bestehen.

Diese Verteilung darf nicht vorschnell als Rangliste guter und schlechter Prozesse gelesen werden. Der häufigste Ablauf kann eine systematisch gelebte, aber fachlich unerwünschte Abkürzung enthalten. Eine seltene Variante kann einen korrekt kontrollierten Sonderfall, einen notwendigen Sicherheitsweg oder eine Produktart mit geringem Volumen abbilden.

Seltenheit ist dennoch ein sinnvolles Auswahlkriterium. Neu auftretende oder ungewöhnliche Wege können gezielt geprüft werden. Dabei muss jedoch der betriebliche Kontext erhalten bleiben: Ein Pfad, der insgesamt selten ist, kann für eine bestimmte Produktklasse oder einen bestimmten Prozesszustand völlig normal sein.

Durchlaufzeit und Ergebnis ergänzen den Ablaufweg

Zwei Fälle können dieselbe Aktivitätsfolge besitzen und sich dennoch deutlich unterscheiden. Einer durchläuft den Prozess in zwei Tagen, der andere benötigt zwei Wochen. Deshalb sollte die Variantenanalyse neben der Kontrollflussperspektive auch Zeit, Ergebnis und Ressourcen betrachten.

Pro Variante können beispielsweise Durchlaufzeit, Wartezeit, Nacharbeitsmenge, Materialverbrauch, Energieeinsatz, Ausschuss, Freigabequote oder Zahl erforderlicher Prüfungen verglichen werden. Solche Kennzahlen erklären nicht automatisch die Ursache, zeigen aber, an welchen Varianten eine genauere Untersuchung sinnvoll ist.

Vergleichbar werden Ergebnisse nur, wenn Bezugsgrößen und Kontextbedingungen übereinstimmen. Ein höherer Energieverbrauch kann aus einer unnötigen Schleife stammen, aber ebenso aus größerer Chargenmenge, anderer Produktart oder einer erforderlichen Temperaturführung. Variantenanalyse sollte deshalb Ablauf, Leistung und Betriebsbedingungen gemeinsam betrachten.

Vergleichsgruppen benötigen nachvollziehbare Kontextgrenzen

Eine Gesamtverteilung über alle Fälle kann relevante Unterschiede verdecken. Sinnvolle Segmente können Standort, Produkt, Linie, SOP-Version, Schicht, Lieferant, Materialklasse oder Zeitraum sein. Dann lässt sich untersuchen, ob eine Variante überall ähnlich häufig vorkommt oder an bestimmte Bedingungen gebunden ist.

Die Segmentierung muss vor inhaltlichen Schlüssen nachvollziehbar festgelegt werden. Werden Gruppen erst so lange verändert, bis ein auffälliger Unterschied erscheint, steigt die Gefahr zufälliger oder irreführender Ergebnisse. Ebenso können sehr kleine Gruppen einzelne Sonderfälle überbewerten.

Eine gute Auswertung zeigt daher neben Anteilen auch absolute Fallzahlen, Zeitraum, Ein- und Ausschlussregeln sowie relevante Kontextunterschiede. Dadurch bleibt erkennbar, ob ein Muster robust oder lediglich Ergebnis eines sehr engen Filters ist.

Varianten verändern sich über die Zeit

Eine Variantenverteilung ist immer an den betrachteten Zeitraum gebunden. Nach einer neuen SOP-Version, einem Anlagenwechsel, einer Schulung oder einer geänderten Materialquelle können sich bekannte Wege verschieben und neue Varianten entstehen. Ein Gesamtbild über mehrere Jahre kann solche Veränderungen verdecken.

Für einen Zeitvergleich werden deshalb gleich definierte Aktivitäts- und Objektbezüge benötigt. Andernfalls erscheint eine bloße Umbenennung als neuer Prozessweg oder eine veränderte Granularität als zusätzlicher Arbeitsschritt. Versionen von Prozessdefinition, Ereignisschema und Auswertungsregel sollten zusammen mit dem Analysezeitraum dokumentiert werden.

Interessant ist nicht nur, ob eine Variante neu auftritt. Ebenso relevant sind ihr Anteil, ihre Dauer, die betroffenen Produkt- oder Materialgruppen und ihr Ergebnis. Dadurch lässt sich prüfen, ob eine kontrollierte Änderung tatsächlich die erwartete Wirkung entfaltet oder lediglich andere Ablaufmuster erzeugt.

Eine Gruppenzuordnung muss bis zum Fall prüfbar sein

Die Variante C enthält im Beispiel zwei Fälle. Für beide muss nachvollziehbar sein, welche Originalereignisse die Folge einschließlich Zusatzprüfung bilden. Stimmen Gruppendarstellung und Einzelfälle nicht überein, ist bereits die Grundlage des Vergleichs fraglich.

Eine Stichprobe prüft deshalb den Rückweg von der Variante zur Ereignisfolge und deren Aufbereitung. Sie kann Zuordnungsfehler aufdecken, ersetzt aber keine vollständige Prüfung des Datenbestands. Filter und Gruppierungsregeln müssen für eine Wiederholung erhalten bleiben.

Nicht erfasste Arbeit bleibt unsichtbar. Fehlende oder uneinheitliche Ereignisse können Varianten verzerren.

Mehrere Objekte erzeugen mehrere mögliche Variantenperspektiven

Reale Betriebsprozesse verlaufen nicht immer entlang genau einer Fallnummer. Eine Charge verwendet Materialien, durchläuft Aufgaben und Prüfungen, beansprucht Geräte und kann sich teilen oder mit anderen Objekten zusammengeführt werden. Je nachdem, welches Objekt als Fall gewählt wird, entstehen unterschiedliche Ablaufvarianten.

Object-Centric Process Mining erhält die Beziehungen zwischen Ereignissen und mehreren Objekten. OCEL 2.0 unterstützt Viele-zu-viele-Beziehungen sowie qualifizierte Verknüpfungen zwischen Ereignissen und Objekten.^[4]

Damit verschwindet die Variantenfrage nicht. Sie wird präziser: Soll der Weg einer Charge, eines Materials, einer Probe, einer Aufgabe oder eines Geräts verglichen werden? Sollen mehrere Objektverläufe gemeinsam betrachtet werden? Die Antwort richtet sich nach der betrieblichen Frage und darf nicht allein durch die technisch bequemste Kennung bestimmt werden.

Varianten und entdecktes Prozessmodell sind verschiedene Sichten

Eine Variantenliste erhält konkrete Aktivitätsfolgen. Process Discovery verallgemeinert viele Ausführungen zu einem Prozessmodell, das beispielsweise Alternativen, Parallelität, Schleifen und wiederkehrende Strukturen ausdrückt.

Beide Sichten ergänzen sich. Das entdeckte Modell bietet eine gemeinsame Übersicht über das beobachtete Verhalten. Varianten zeigen dagegen, welche konkreten Pfade mit welcher Häufigkeit tatsächlich im Log vorkommen. Ein Modell kann Verhalten zulassen, das in keinem betrachteten Fall vollständig beobachtet wurde; eine Variantenliste bleibt auf die vorhandenen Folgen beschränkt.

Für die Untersuchung kann vom Modell zu einem auffälligen Pfad, von dort zu einer Variante und schließlich zu einzelnen Fällen navigiert werden. So bleibt die abstrakte Struktur mit der tatsächlichen Ausführung verbunden.

Eine Variante ist noch keine Abweichung vom Soll

Die Variantenanalyse beschreibt Unterschiede innerhalb des beobachteten Verhaltens. Ob ein Pfad dem erwarteten Modell entspricht, wird dagegen mit Conformance Checking geprüft. Dafür muss eine fachliche oder formale Vorgabe als Vergleichsmaßstab feststehen.

Eine häufige Variante kann vollständig konform sein, teilweise abweichen oder einen im Sollmodell fehlenden, aber fachlich notwendigen Sonderfall zeigen. Ebenso kann eine seltene Variante korrekt modelliert und zulässig sein. Variantenhäufigkeit und Modellkonformität sind daher getrennte Merkmale.

Diese Trennung verhindert einen typischen Fehlschluss: Der häufigste beobachtete Ablauf wird nicht automatisch zum neuen Standard. Zunächst müssen Gründe, Ergebnisse, Risiken und geltende Anforderungen bewertet werden. Erst danach kann entschieden werden, ob der Sollprozess angepasst oder die reale Ausführung verändert werden soll.

Die Zusatzprüfung erklärt den Unterschied zwischen B und C

B und C teilen eine Nacharbeitsfolge und bleiben nach der gewählten Regel trotzdem unterschiedliche Varianten. Zwei Fälle von A können dagegen verschieden lange dauern und zur selben Variante gehören. Die Gleichheitsregel bestimmt, welcher Unterschied gezählt wird.

Eine Variantenanalyse ist daher dann verständlich, wenn sie Gruppierung, Fallzahl und Datenumfang erklärt. Aussagen über Leistung oder Ursache benötigen die dazugehörigen Messungen und die Untersuchung der einzelnen Fälle.