Grundzüge der Wirtschaftsinformatik 9. Auflage

Springer-Lehrbuch

Peter Mertens · Freimut Bodendorf Wolfgang König · Arnold Picot Matthias Schumann · Thomas Hess

Grundzüge der Wirtschaftsinformatik Neunte, überarbeitete Auflage mit 78 Abbildungen

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Professor Dr. Dr. h.c. mult. Peter Mertens [email protected] Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Bereich Wirtschaftsinformatik I Lange Gasse 20 · 90403 Nürnberg Professor Dr. Freimut Bodendorf [email protected] Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Bereich Wirtschaftsinformatik II Lange Gasse 20 · 90403 Nürnberg Professor Dr. Wolfgang König Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt Institut für Wirtschaftsinformatik Mertonstraße 17 · 60054 Frankfurt am Main

[email protected]

Professor Dr. Dres. h.c. Arnold Picot [email protected] Ludwig-Maximilians-Universität München Institut für Information, Organisation und Management Ludwigstraße 28 · 80539 München Professor Dr. Matthias Schumann Georg-August-Universität Göttingen Institut für Wirtschaftsinformatik Platz der Göttinger Sieben 5 · 37073 Göttingen

[email protected]

Professor Dr. Thomas Hess [email protected] Ludwig-Maximilians-Universität München Institut für Wirtschaftsinformatik und Neue Medien Ludwigstraße 28 · 80539 München SAP, SAP R/3 und SAP R/2 sind Marken oder eingetragene Marken der SAP AG in Deutschland und vielen anderen Ländern weltweit. Alle anderen Produkte sind Marken oder eingetragene Marken der jeweiligen Firmen.

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.

ISBN 3-540-23411-X 9. Auflage Springer Berlin Heidelberg New York ISBN 3-540-40687-5 8. Auflage Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1991, 1992, 1995, 1996, 1998, 2000, 2001, 2004, 2005 Printed in Italy Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: design & production, Herstellung: Helmut Petri, Druck: Legoprint SPIN 11332633 Gedruckt auf säurefreiem Papier – 42/3130 – 5 4 3 2 1 0

Vorwort zur neunten Auflage

Die Bedeutung der Wirtschaftsinformatik wächst in der sich entwickelnden Informationsgesellschaft. Viele Bereiche des modernen Lebens und Arbeitens werden durch den Einsatz von Informationsverarbeitungssystemen unterstützt. Daraus resultiert die Notwendigkeit, Grundzüge der Wirtschaftsinformatik zunehmend in Ausbildungsgängen auf unterschiedlichen Ebenen des Bildungssystems zu vermitteln. Dieses Buch soll solche Lehrveranstaltungen vorbereiten und ergänzen. Im Gegensatz zu den meisten anderen Einführungswerken ist die Darstellung konsequent an integrierten Anwendungssystemen orientiert. Lehrgegenstände wie Technik der elektronischen Rechenanlagen, Programmierung sowie Speicherung der Daten treten in ihrer relativen Bedeutung etwas zurück, zumal sich die Verfasser ein strenges Seitenlimit gesetzt haben. Die Autoren legen diesem Buch einen Lehrplan zu Grunde, bei dem die Lernenden bereits zu Beginn des Studiums in PC-Labors der Hochschule oder auch zu Hause mit einem Computer und Rechnernetzen in Berührung kommen. Es wird daher zunächst das hierzu benötigte Basiswissen, und zwar zu Hardware und Software, vermittelt. Vom PC ausgehend arbeiten wir die Besonderheiten anderer Rechnerklassen heraus und stellen die Grundlagen von Netzwerken, insbesondere des Internets, dar. In dem Maße, wie im fortschreitenden Grundstudium betriebswirtschaftliches Wissen gelehrt wird, kann im Wirtschaftsinformatik-Unterricht gezeigt werden, wie man Vorgänge in Unternehmen mit der Informationsverarbeitung unterstützt. Die gelernten Konzepte finden Verwendung in modernen Anwendungssystemen. Die integrierte Sicht auf diese Anwendungen fördert auch das Denken in betrieblichen Prozessen. So ist es gegen Ende eines betriebswirtschaftlichen Grundstudiums möglich, dass die Studierenden Bezüge zwischen dem Stoff aus verschiedenen Funktionallehren (Absatz, Produktion, Rechnungswesen usw.) herstellen. Der Umfang des Buches wurde abermals reduziert und beläuft sich nunmehr auf 200 Seiten. Die Autoren sind sich darüber klar, dass es bei der rasanten Entwicklung der Wirtschaftsinformatik immer schwerer wird, einen für das Grundstudium geeigneten Ausschnitt auf begrenztem Raum darzustellen. Mancher aus anderen Lehrbüchern „gewohnte“ Stoff musste daher gekürzt bzw. gestrichen werden, was uns nicht immer leicht fiel. Mit vielen darüber hinausgehenden Veränderungen unseres Textes möchten wir dem Fortschritt der betrieblichen Informationsverarbeitung sowie ihrer weiter gewachsenen Bedeutung in Unternehmen und Volkswirtschaft

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Vorwort

Rechnung tragen. So haben wir etwas die Ausführungen zu Semantic Web erweitert und verschiedene neue Praxisbeispiele aufgenommen. Die folgenden Damen und Herren haben wertvolle Hilfe bei der Ausarbeitung der neunten Auflage geleistet: Dipl.-Hdl. Andreas Müller (Kapitel 1), Dipl.-Vw. Roman Beck (Kapitel 2), Dipl.-Kfm. Rainer Fladung (Kapitel 2), Dipl.-Wi.-Ing. Ulrich Löwer (Kapitel 3), Dipl.-Wirtsch.-Inf. Jochen Speyerer (Kapitel 4.1 und 4.3), Dr. Susanne Robra-Bissantz (Kapitel 4.2 und 4.4), Dipl.-Kfm. Roland Zimmermann (Kapitel 4.2 und 4.4), Dipl.-Wirtsch.-Inf. Thomas Diekmann (Kapitel 5 und 6). Dipl.-Kfm. Rainer Fladung und Dipl.Vw. Roman Beck koordinierten alle Arbeiten mit großem Engagement und fügten die Text- und Bilddateien der einzelnen Verfasser reproduktionsfähig zusammen. Anglizismen treten gerade in der Wirtschaftsinformatik häufig auf und werden in der Fachliteratur sehr unterschiedlich und auch unsystematisch geschrieben. Hier haben wir uns um eine rigorose Vereinheitlichung auf der Grundlage der Vorschriften des Rechtschreibdudens bemüht, auch wenn wir dadurch zuweilen von der üblichen Schreibweise abweichen. Unseren Leserinnen und Lesern sind wir im Voraus für jede Rückmeldung über Erfahrungen bei der Nutzung dieses Buches dankbar.

Die Autoren

Inhaltsverzeichnis

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Grundlagen ........................................................................................................ 1 1.1 Wirtschaftsinformatik als Fach.................................................................... 1 1.1.1 Typische Aufgaben eines Wirtschaftsinformatikers ............................ 1 1.1.2 Zielsetzung der Wirtschaftsinformatik ................................................ 3 1.1.3 Einordnung der Wirtschaftsinformatik in den Fächerkanon................ 5 1.2 Aufbau dieses Lehrbuchs............................................................................. 6 1.2.1 Integration als Leitidee ........................................................................ 6 1.2.2 Strukturierung und Schwerpunktsetzung........................................... 11 1.3 Literatur zu Kapitel 1................................................................................. 12

2

Rechner und deren Vernetzung ..................................................................... 13 2.1 Hardware ................................................................................................... 13 2.1.1 Zentraleinheit..................................................................................... 16 2.1.1.1 Prozessor........................................................................................ 16 2.1.1.2 Hauptspeicher ................................................................................ 16 2.1.2 Externe Speicher................................................................................ 17 2.1.3 Datenein- und -ausgabegeräte............................................................ 19 2.2 Software..................................................................................................... 21 2.2.1 Systemsoftware.................................................................................. 22 2.2.1.1 Betriebssysteme für Mikrocomputer ............................................. 22 2.2.1.2 Programmiersprachen .................................................................... 25 2.2.1.3 Übersetzungsprogramme ............................................................... 27 2.2.1.4 Dienstprogramme und Treiber....................................................... 28 2.2.2 Anwendungssoftware ........................................................................ 29 2.2.2.1 Standardsoftware ........................................................................... 29 2.2.2.1.1 Basissoftware .......................................................................... 29 2.2.2.1.2 Standardbürosoftware ............................................................. 30 2.2.2.1.3 Funktionsorientierte Standardsoftware ................................... 31 2.2.2.1.4 Prozessorientierte Software .................................................... 32 2.2.2.2 Individualsoftware ......................................................................... 32 2.2.2.3 Komponentenarchitekturen und Webservices ............................... 33 2.3 Rechnerklassen .......................................................................................... 34 2.3.1 Großrechner....................................................................................... 35 2.3.2 Workstations...................................................................................... 35 2.3.3 Netzwerkcomputer und Thin Clients................................................. 36 2.3.4 Mobile Clients und Embedded Systems ............................................ 36 2.4 Rechnernetze und Netzarchitekturen......................................................... 37 2.4.1 Komponenten von Rechnernetzen ..................................................... 38 2.4.2 Client-Server-Konzept als Kooperationsmodell ................................ 40 2.4.3 Netzklassen........................................................................................ 41

VIII

Inhaltsverzeichnis

2.4.3.1 Lokale Netze.................................................................................. 41 2.4.3.2 Weitverkehrsnetze ......................................................................... 41 2.5 Weltweite Vernetzung: Das Internet ......................................................... 43 2.5.1 Protokollfamilie TCP/IP .................................................................... 44 2.5.2 Dienste und Technologien der Vernetzung........................................ 46 2.5.3 Intranets und Extranets ...................................................................... 48 2.5.4 Sicherheit in Informations- und Kommunikationsnetzen .................. 49 2.5.5 Rechner- und Netzinfrastrukturen ..................................................... 51 2.6 Literatur zu Kapitel 2................................................................................. 52 3

Daten, Information und Wissen ..................................................................... 53 3.1 Daten und Datenbanken............................................................................. 54 3.1.1 Ziele und Voraussetzungen der Datenintegration.............................. 54 3.1.2 Klassifizierung von Daten ................................................................. 55 3.1.3 Grundbegriffe der Datenorganisation ................................................ 55 3.1.4 Dateiorganisation versus Datenbankorganisation.............................. 58 3.1.5 Komponenten eines Datenbanksystems............................................. 59 3.1.6 Architektur eines Datenbanksystems................................................. 60 3.1.7 Datenmodellierung ............................................................................ 62 3.1.8 Datenbankmodelle ............................................................................. 64 3.1.8.1 Relationales Datenbankmodell ...................................................... 64 3.1.8.2 Objektorientiertes Datenbankmodell ............................................. 66 3.1.9 Implementierung und Abfragemöglichkeiten für Datenbanksysteme 68 3.2 Vernetzte Datenbanken.............................................................................. 69 3.2.1 Verteilte Datenbanksysteme .............................................................. 70 3.2.2 Data-Warehouse ................................................................................ 71 3.3 Gewinnung von Informationen.................................................................. 73 3.3.1 Data-Mining und OLAP .................................................................... 73 3.3.2 Externe Datenbanken und World Wide Web..................................... 74 3.3.3 Planungs- und Kontroll- sowie Wissensmanagementsysteme........... 76 3.3.3.1 Planungs- und Kontrollsysteme ..................................................... 77 3.3.3.2 Wissensmanagementsysteme......................................................... 78 3.3.3.3 Methoden zur Auswertung ............................................................ 79 3.4 Wissen und Wissenstransfer...................................................................... 79 3.4.1 Wissensarten...................................................................................... 80 3.4.2 Strategien und Methoden des Wissenstransfers................................. 80 3.5 Literatur zu Kapitel 3................................................................................. 81

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Integrierte Anwendungssysteme .................................................................... 83 4.1 Informationsverarbeitung im Industriebetrieb ........................................... 84 4.1.1 Betrachtung von Funktionalbereichen ............................................... 84 4.1.2 Forschung und Produktentwicklung .................................................. 85 4.1.2.1 Produktentwurf (CAD/CAE) ......................................................... 85 4.1.2.2 Arbeitsplanung (CAP) ................................................................... 86 4.1.3 Vertrieb.............................................................................................. 87 4.1.3.1 Kundenanfrage- und Angebotsbearbeitung ................................... 87 4.1.3.2 Angebotsüberwachung .................................................................. 88

Inhaltsverzeichnis

IX

4.1.3.3 Auftragserfassung und -prüfung .................................................... 88 4.1.4 Beschaffung....................................................................................... 89 4.1.4.1 Bestelldisposition........................................................................... 89 4.1.4.2 Einkauf .......................................................................................... 91 4.1.4.3 Lieferüberwachung........................................................................ 92 4.1.4.4 Wareneingangsprüfung.................................................................. 92 4.1.5 Lagerhaltung...................................................................................... 93 4.1.5.1 Materialbewertung......................................................................... 93 4.1.5.2 Lagerbestandsführung ................................................................... 93 4.1.5.3 Inventur.......................................................................................... 93 4.1.5.4 Unterstützung der Abläufe im Lager ............................................. 94 4.1.6 Produktion ......................................................................................... 95 4.1.6.1 Primärbedarfsplanung/MRP II....................................................... 95 4.1.6.2 Materialbedarfsplanung/MRP I ..................................................... 96 4.1.6.3 Durchlaufterminierung .................................................................. 97 4.1.6.4 Kapazitätsausgleich ....................................................................... 98 4.1.6.5 Verfügbarkeitsprüfung................................................................... 98 4.1.6.6 Auftragsfreigabe ............................................................................ 99 4.1.6.7 Werkstattsteuerung ........................................................................ 99 4.1.6.8 Computergestützte Produktion/CAM .......................................... 100 4.1.6.9 Qualitätssicherung/CAQ.............................................................. 101 4.1.6.10 Betriebsdatenerfassung ............................................................ 101 4.1.6.11 Produktionsfortschrittskontrolle .............................................. 102 4.1.7 Versand............................................................................................ 102 4.1.7.1 Zuteilung...................................................................................... 102 4.1.7.2 Lieferfreigabe .............................................................................. 102 4.1.7.3 Distributionslogistik .................................................................... 103 4.1.7.4 Fakturierung ................................................................................ 103 4.1.8 Kundendienst................................................................................... 104 4.1.8.1 Wartung/Reparatur ...................................................................... 104 4.1.8.2 Reklamation................................................................................. 104 4.1.9 Finanzen .......................................................................................... 104 4.1.10 Rechnungswesen ............................................................................. 105 4.1.10.1 Kosten- und Leistungsrechnung .............................................. 105 4.1.10.1.1 Kostenstellenrechnung........................................................ 105 4.1.10.1.2 Kostenträgerrechnung ......................................................... 105 4.1.10.2 Lieferantenrechnungskontrolle ................................................ 106 4.1.10.3 Hauptbuchhaltung.................................................................... 107 4.1.10.4 Nebenbuchhaltung ................................................................... 107 4.1.10.4.1 Debitorenbuchhaltung......................................................... 107 4.1.10.4.2 Kreditorenbuchhaltung ....................................................... 107 4.1.11 Personal ........................................................................................... 108 4.1.11.1 Arbeitszeitverwaltung.............................................................. 108 4.1.11.2 Entgeltabrechnung ................................................................... 108 4.1.11.3 Meldeprogramme..................................................................... 108 4.1.11.4 Veranlassungsprogramme........................................................ 109 4.1.11.5 Personen-Aufgaben-Zuordnung............................................... 109

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Inhaltsverzeichnis 4.1.11.6 Mitarbeiterportale .................................................................... 109 4.1.12 Anlagenmanagement ....................................................................... 109 4.1.13 Beispiel eines computergestützten Kontrollsystems........................ 110 4.2 Anwendungssysteme im Dienstleistungsbereich..................................... 111 4.2.1 Besonderheiten ................................................................................ 111 4.2.2 Dienstleistungsprozess..................................................................... 112 4.2.3 Marketing ........................................................................................ 114 4.2.3.1 Besondere Aspekte ...................................................................... 114 4.2.3.2 Database-Marketing-Systeme in Finanzdienstleistungsbetrieben 115 4.2.3.3 Mikrogeografische Systeme zur Markterfassung und -bearbeitung in der Versicherung ................................................ 116 4.2.3.4 Marketing im Internet.................................................................. 117 4.2.4 Leistungsbereitstellung.................................................................... 119 4.2.4.1 Besondere Aspekte ...................................................................... 119 4.2.4.2 Yield-Management-Systeme in der Touristik.............................. 119 4.2.5 Information und Beratung................................................................ 121 4.2.5.1 Besondere Aspekte ...................................................................... 121 4.2.5.2 Präsentations- und Beratungssysteme im Einzelhandel............... 121 4.2.5.3 Auskunftssysteme im Personenverkehr ....................................... 123 4.2.6 Vereinbarung ................................................................................... 123 4.2.6.1 Besondere Aspekte ...................................................................... 123 4.2.6.2 Individualisiertes Zeitschriftenangebot........................................ 124 4.2.6.3 Auktionen im Internet.................................................................. 125 4.2.7 Durchführung .................................................................................. 126 4.2.7.1 Besondere Aspekte ...................................................................... 126 4.2.7.2 Prozessunterstützung in der Hotellerie ........................................ 127 4.2.7.3 Klinikinformations- und -kommunikationssysteme..................... 128 4.2.7.4 Produktion digitaler Finanzinformationsdienstleistungen ........... 130 4.2.7.5 Vernetzter Zahlungsverkehr ........................................................ 131 4.2.7.6 Vernetzung von Mobilitätsdienstleistern ..................................... 132 4.2.8 Abrechnung ..................................................................................... 134 4.2.8.1 Besondere Aspekte ...................................................................... 134 4.2.8.2 Erlösmodelle im Internet ............................................................. 135 4.2.9 Bezahlung ........................................................................................ 136 4.2.9.1 Besondere Merkmale ................................................................... 136 4.2.9.2 Bezahlung am Point-of-Sale ........................................................ 136 4.2.9.2.1 Bezahlung mit einer Guthabenkarte...................................... 137 4.2.9.2.2 Bezahlung mit einer Debitkarte ............................................ 138 4.2.9.3 Bezahlung im Internet ................................................................. 139 4.2.9.3.1 Bezahlung mit Kreditkarten .................................................. 139 4.2.9.3.2 Bezahlung mit Inkassosystemen ........................................... 139 4.3 Funktionsbereich- und prozessübergreifende Integration........................ 140 4.3.1 Lebenszyklus-Management-Systeme (LCM) .................................. 141 4.3.2 Computer-integrated Manufacturing (CIM) .................................... 141 4.3.3 Customer-Relationship-Management (CRM).................................. 143 4.3.4 Beispiel eines computergestützten Planungssystems....................... 144 4.4 Zwischenbetriebliche Integration ............................................................ 146

Inhaltsverzeichnis

XI

4.4.1 Electronic Commerce ...................................................................... 146 4.4.2 Elektronische Märkte....................................................................... 148 4.4.3 Supply-Chain-Management............................................................. 150 4.5 Literatur zu Kapitel 4............................................................................... 152 5

Planung, Realisierung und Einführung von Anwendungssystemen ......... 153 5.1 Grundsatzentscheidung............................................................................ 153 5.1.1 Standardsoftware ............................................................................. 154 5.1.1.1 Traditionelle Standardsoftware.................................................... 154 5.1.1.2 Open-Source-Software ................................................................ 155 5.1.1.3 Application-Service-Providing .................................................... 155 5.1.1.4 Bewertung.................................................................................... 156 5.1.2 Individualsoftware ........................................................................... 157 5.1.3 Komponentenbasierte Software als Mischform............................... 157 5.1.4 Beurteilung ...................................................................................... 158 5.2 Strukturierung von Projekten................................................................... 159 5.2.1 Phasenmodell für Individualsoftware .............................................. 160 5.2.1.1 Beschreibung der Phasen............................................................. 160 5.2.1.2 Phasenübergreifende Merkmale .................................................. 162 5.2.2 Prototyping für Individualsoftware.................................................. 163 5.2.3 Phasenmodell für Standardsoftware ................................................ 164 5.2.3.1 Auswahlphase.............................................................................. 166 5.2.3.2 Einführungsphase ........................................................................ 166 5.2.3.3 Betriebsphase............................................................................... 167 5.3 Management von Projekten ..................................................................... 168 5.3.1 Projektorganisation.......................................................................... 169 5.3.2 Projektplanung, -steuerung und -kontrolle ...................................... 169 5.4 Hilfsmittel der Projektdurchführung........................................................ 171 5.4.1 Modellierungstechniken .................................................................. 171 5.4.1.1 Prozessmodellierung.................................................................... 171 5.4.1.2 Funktionsmodellierung ................................................................ 173 5.4.1.3 Objektmodellierung ..................................................................... 174 5.4.2 Werkzeuge....................................................................................... 176 5.4.3 Bibliotheken .................................................................................... 177 5.5 Literatur zu Kapitel 5............................................................................... 178

6

Management der Informationsverarbeitung............................................... 179 6.1 Strategische Planung der Informationsverarbeitung................................ 179 6.1.1 Definieren einer IV-Strategie .......................................................... 179 6.1.1.1 Ableiten der IV-Strategie aus der Unternehmensstrategie........... 179 6.1.1.2 Veränderung der Unternehmens- durch die IV-Strategie ............ 181 6.1.2 Festlegen einer IV-Architektur ........................................................ 184 6.1.3 Auswahl von IV-Projekten .............................................................. 186 6.1.3.1 IV-Projektportfolios..................................................................... 187 6.1.3.2 Analysen zur Wirtschaftlichkeit der IV ....................................... 187 6.2 Organisation der Informationsverarbeitung............................................. 190 6.2.1 Eigenerstellung oder Fremdbezug von IV-Leistungen .................... 190

XII

Inhaltsverzeichnis

6.2.2 Interne Verrechnung von IV-Leistungen......................................... 191 6.2.3 Einordnung der IV in die Unternehmensorganisation ..................... 191 6.2.4 Interne Organisation des IV-Bereichs.............................................. 193 6.3 Weitere Managementaspekte................................................................... 194 6.3.1 Rechtliche Aspekte der Informationsverarbeitung .......................... 194 6.3.1.1 Datenschutz ................................................................................. 195 6.3.1.2 Sicherheit..................................................................................... 196 6.3.1.3 Mitbestimmung............................................................................ 197 6.3.1.4 Weitere gesetzliche Bestimmungen............................................. 197 6.3.2 Berufsbilder in der Informationsverarbeitung ................................. 198 6.4 Literatur zu Kapitel 6............................................................................... 200 Überblicks- und Vertiefungsliteratur .................................................................. 201 Stichwortverzeichnis ............................................................................................. 207 Stark vereinfachtes Funktionsmodell eines Industriebetriebes......................... 219

1 Grundlagen

1.1

Wirtschaftsinformatik als Fach

1.1.1 Typische Aufgaben eines Wirtschaftsinformatikers Wirtschaftsinformatiker beschäftigen sich mit Gestaltung und Betrieb von Systemen der computergestützten Informationsverarbeitung (IV) für betriebswirtschaftliche Aufgaben. IV basiert auf einem, im Regelfall auf mehreren Anwendungssystemen (AS). So unterstützt etwa ein AS für den Vertrieb den Außendienstmitarbeiter beim Erfassen von Aufträgen und beim Pflegen von Kundendaten. Auch bietet ein derartiges System häufig einen Internetzugang, mit dessen Hilfe der Kunde seinen Auftrag selbst erfassen und seine Bearbeitung verfolgen kann. In ähnlicher Weise unterstützt z. B. ein AS für die Produktionsplanung den Disponenten, der die detaillierten Produktionspläne im eigenen Unternehmen und über die Grenzen mehrerer Unternehmen hinweg abstimmt. Bei der Konzeption, Entwicklung, Einführung, Wartung und Nutzung von AS ist ein Wirtschaftsinformatiker mit unterschiedlichen Fragen konfrontiert. Die folgenden aktuellen Beispiele geben davon einen ersten Eindruck: 1. Ein Telekommunikationsunternehmen eröffnet seinen Privatkunden u. a. den Zugang zum Telefonnetz über Festnetz und Mobilfunk sowie das Kabelfernsehen. Im neu eingerichteten Callcenter soll dem Privatkunden nun Auskunft über alle Geschäftsbeziehungen gegeben werden können. Ebenso ist in Marketingkampagnen das Nutzungsverhalten in allen drei Produktgruppen dezidiert zu berücksichtigen: Details zu den einzelnen Verträgen sowie zur Nutzung der Dienste sind im Unternehmen bisher in den unterschiedlichen AS abgelegt. Es ist ein AS zu konzipieren, das die Arbeit im Callcenter und im Marketing effizient unterstützt. 2. Ein Automobilhersteller möchte seinen Kunden bei der Bestellung eines Neuwagens möglichst lange die Möglichkeit offen halten, Produkteigenschaften wie z. B. die Farbe noch zu verändern. Zu diesem Zweck ist ein internetbasiertes AS zu entwickeln. Es stellt sich die Frage, welche Funktionen dem Kunden konkret anzubieten sind. Auch ist zu klären, wie das neue AS mit den vorhandenen AS für Produktionssteuerung und Auftragsverwaltung integriert werden kann.

2

1.1 Wirtschaftsinformatik als Fach

3. Eine Gruppe kleinerer Anlagenbauunternehmen leidet unter stark schwankender Auslastung ihrer Kapazitäten. Sie hat sich daher vorgenommen, sich Restkapazitäten kurzfristig im Verbund gegenseitig anzubieten. Ein AS soll dies unterstützen. Ein Team aus allen beteiligten Unternehmen wird beauftragt zu prüfen, welche Informationen in diesem AS konkret zu speichern sind. 4. Ein Musikverlag erwägt, seine Songs zukünftig über das Internet anzubieten. Dabei stellt sich die Frage, ob die Audiodateien auf einem zentralen Server, dem Personal Computer (PC) oder einem speziellen Abspielgerät des einzelnen Nutzers gehalten werden sollen. Ferner ist zu prüfen, wie sich das unkontrollierte Kopieren von Musikdateien technisch eindämmen lässt. 5. Ein Hotelkonzern hat in den letzten Jahren durch Zukäufe stark expandiert. Nachfolgend wurden deutliche Abweichungen bei Umsätzen und Erträgen in den einzelnen Hotels von der Konzernspitze zu spät erkannt. Die Konzernleitung verlangt daher ein AS, das frühzeitig auf signifikante Fehlentwicklungen aufmerksam macht. 6. Ein Zeitungsverlag muss seine Produktionskosten deutlich senken und beginnt deshalb mit der Einführung eines neuen AS, das die Publikation von Inhalten wahlweise auf einem Handy oder auf E-Paper erlaubt. Es stellt sich die Frage, wie sich die neuen Produktionsprozesse prägnant darstellen lassen, um die alten und neuen Prozesse besser vergleichen zu können. 7. Ein Industrieunternehmen hat eine Reihe kleinerer Unternehmen aufgekauft und muss erstmals einen konsolidierten Abschluss für den Konzern erstellen. Für diesen Zweck bieten Softwarehäuser spezielle Standardsoftwarepakete an. Welche Kriterien soll das Unternehmen bei der Auswahl berücksichtigen? 8. Die Ertragssituation einer Versicherung hat sich verschlechtert. Sie beschließt daher, alle großen Kostenblöcke grundlegend zu analysieren. Schnell kommt dabei auch die Frage auf, ob alle IV-bezogenen Aufgaben weiter im eigenen Unternehmen erledigt oder besser an spezialisierte Dienstleister vergeben werden sollen. Nach welchen Kriterien soll diese Entscheidung getroffen werden? 9. Der Geschäftsführung eines Logistikunternehmens liegen für das nächste Jahr zwölf Vorschläge zur Neu- und Weiterentwicklung von AS vor: vom Ausbau eines Internetzugangs für die Sendungsverfolgung bis zur Einführung eines neuen Lagerwirtschaftssystems. Das Budget und die personellen Ressourcen sind beschränkt. Welche Projekte sollen in Angriff genommen werden? Obwohl sich die genannten Beispiele mit ganz unterschiedlichen Arten von AS beschäftigen, zeigen diese doch die beiden typischen Prozesse, die

1 Grundlagen

3

ein Wirtschaftsinformatiker durchzuführen hat: die Gestaltung von AS sowie das Informationsmanagement. Wichtigster Input für die Gestaltung von AS sind Informations- und Kommunikationstechnologien, welche herangezogen werden, um ein an die spezifischen Anforderungen eines Unternehmens angepasstes AS bereitzustellen. Typisch hierfür ist Beispiel 2: Die Internettechnologie liefert den Input, Ergebnis ist ein spezifisches AS für die Vertriebsunterstützung eines Automobilherstellers. Gleichzeitig zeigt dieses Beispiel aber auch, dass die Bereitstellung eines AS alleine keine Vorteile verschafft. Erforderlich ist vielmehr, das AS zielgerichtet zum Einsatz zu bringen. Für Beispiel 2 bedeutet dies, dass beim Automobilhersteller die Abläufe in Vertrieb und Produktion sowie die Preispolitik anzupassen sind. Dies sind typische Aufgaben des Informationsmanagements, das ein effizientes Informations- und Kommunikationssystem sicherstellen soll. In Abbildung 1.1.1/1 ist das Aufgabengebiet eines Wirtschaftsinformatikers mit den beiden typischen Prozessen sowie deren jeweiligem Input und Output schematisch dargestellt. Informations- und Kommunikationstechnologien

Gestaltung von Anwendungssystemen

Anwendungssysteme

Informationsmanagement

Effizientes Informations- und Kommunikationssystem

Aufgabengebiet eines Wirtschaftsinformatikers

Abb. 1.1.1/1 Aufgabengebiet eines Wirtschaftsinformatikers

In Abbildung 1.1.1/1 wurde die Klammer bewusst so gesetzt, da sich Wirtschaftsinformatiker nur mit Teilaspekten von Technologien und Informations- und Kommunikationssystemen befassen. Auf der einen Seite soll dies andeuten, dass sich ein Wirtschaftsinformatiker nicht mit Details der technischen Realisierung beschäftigt, so z. B. den konkreten Verschlüsselungsverfahren, wie sie für das Urheberschutzsystem in Beispiel 4 erforderlich sind. Auf der anderen Seite kann ein Wirtschaftsinformatiker auch nicht in Anspruch nehmen, das komplette Informations- und Kommunikationssystem eines Unternehmens alleine zu gestalten, zu dem z. B. auch das gesamte Rechnungswesen gehört.

1.1.2 Zielsetzung der Wirtschaftsinformatik Die Wirtschaftsinformatik (WI) lässt sich als Lehre von der Erklärung und Gestaltung von AS verstehen. Erklärungsaufgabe ist beispielsweise, warum die Auslagerung von IV-Funktionen bisweilen nicht immer zum gewünschten Erfolg geführt hat. Zu den Gestaltungsaufgaben zählt z. B. das Herausarbeiten verbesserter Möglichkeiten einer Vertriebsunterstützung durch neue Ge-

4

1.1 Wirtschaftsinformatik als Fach

nerationen des Mobilfunks. Gerade die Gestaltungsaufgabe nimmt in der Wirtschaftsinformatik einen besonderen Stellenwert ein. Ein langfristiges Ziel der Wirtschaftsinformatik liegt in der sinnhaften Vollautomation eines Betriebes [Mertens 95]. Danach ist immer dort eine Aufgabe von einem Menschen auf ein AS zu übertragen, wo die Maschine diese unter betriebswirtschaftlichen Maßstäben wie Kosten oder Qualität besser erledigen kann. So ist in Beispiel 5 die Erstellung der Abweichungsanalysen an das AS zu übertragen, wenn bei gleicher Qualität die Prozesskosten gesenkt werden können und sich die Umstellungskosten ausreichend schnell amortisieren. Gerade dieses Beispiel zeigt aber auch, dass betriebliche Aufgaben häufig nur teilweise von einer Maschine übernommen werden können. Im Beispielfall kann ein AS ergebnisrelevante Einflüsse in verschiedenen Ländern, z. B. politische Veränderungen, in der Regel nicht in seine Bewertung einfließen lassen. Generell bedeutet dies, dass eine sinnhafte Automation häufig zu einer veränderten Arbeitsteilung zwischen Mensch und Maschine und damit zu einer Teilautomation führt. Zur weiteren Konkretisierung der Zielsetzung kann man zwischen Administrations- und Dispositionssystemen auf der einen Seite sowie Planungsund Kontrollsystemen auf der anderen Seite unterscheiden. Mit Hilfe von Administrationssystemen will man Abläufe nachvollziehen und rationalisieren. In diesem Sinne möchte z. B. der Automobilhersteller aus Beispiel 2 seinen Vertriebsprozess effizienter gestalten. Dispositionssysteme zielen auf verbesserte Entscheidungen bezüglich der operativen Durchführung von Prozessen. In Beispiel 3 wird ein Dispositionssystem diskutiert, mit dessen Hilfe eine bessere Kapazitätsauslastung erreicht werden soll. Administrations- und Dispositionssysteme werden oftmals unter dem Sammelbegriff der operativen Systeme zusammengefasst. Planungssysteme zielen darauf ab, dass für den Planungsprozess zuverlässigere Daten zur Verfügung stehen und mehr Alternativen durchdacht und durchgerechnet werden können. Kontrollsysteme lenken die Aufmerksamkeit der Fach- und Führungskräfte auf beachtenswerte Datenkonstellationen und zeigen auf, wo spezielle Analysen und Abhilfemaßnahmen einzuleiten sind. So macht das in Beispiel 7 vorgestellte Berichtssystem die Konzernleitung auf größere Planabweichungen bei einem Tochterunternehmen schnell aufmerksam, sodass noch im laufenden Geschäftsjahr gegengesteuert werden kann. Planungsund Kontrollsysteme: Zielsichere Planung und Kontrolle Administrations- und Dispositionssysteme (operative Systeme): Rationalisierung, Effizienz, Ressourcenschonung

Abb. 1.1.2/1 Ziele des Einsatzes von AS

1 Grundlagen

5

1.1.3 Einordnung der Wirtschaftsinformatik in den Fächerkanon Die Wirtschaftsinformatik versteht sich als interdisziplinäres Fach zwischen Betriebswirtschaftslehre (BWL) und Informatik und enthält daneben auch informations- bzw. allgemein-technische Lehr- und Forschungsgegenstände. Die zentralen Einflussgrößen der WI sind Mensch, Aufgabe und Maschine. Die Wirtschaftsinformatik bietet also mehr als die Schnittmenge zwischen diesen Disziplinen (vgl. Abbildung 1.1.3/1), etwa besondere Methoden zur Abstimmung von Geschäfts- und IV-Strategie mit Software und Hardware als Planungsobjekten (siehe Abschnitt 6.1).

BWL

Informatik

Technik

WI als Schnittmenge WI als Zusatzmenge

Abb. 1.1.3/1 Einordnung der WI in den Fächerkanon

Die in der BWL weit verbreitete Gliederung nach Funktionsbereichen und Prozessen findet ihre Entsprechung in der Wirtschaftsinformatik: So entwickelt man in der Wirtschaftsinformatik z. B. AS zur Computerunterstützung in Forschung und Entwicklung, im Vertrieb, in Fertigung und Beschaffung. Auch Querschnittsfunktionen wie das Controlling, das externe Rechnungswesen sowie die Personalverwaltung und -disposition sind ohne AS-Unterstützung kaum noch vorstellbar. Moderne AS profitieren von anspruchsvollen Entwicklungen der Informatik. Elemente der sog. Künstlichen Intelligenz (KI) finden sich z. B. in eleganten Dispositionssystemen. Viele Verfahren der Softwareentwicklung, die Informatiker ausgearbeitet haben, sind Grundlage des AS-Entwurfs in der Wirtschaftsinformatik. Als weiteres Beispiel sei die grafische Datenverarbeitung erwähnt, welche die anschauliche Präsentation von Erzeugnissen, wie z. B. Möbeln, auf dem Bildschirm gestattet. Auch bei der Wahl einer Produktstrategie ist an Computer zu denken, die – etwa in einer Videokamera – die Bedienung automatisieren („Embedded Systems“). Von den Ingenieurwissenschaften ist insbesondere die Nachrichtentechnik zu erwähnen, die sich aktuell mit mobilen Übertragungsnetzen und technischen Verfahren zur Abwicklung elektronischer Zahlungsverfahren beschäftigt. Enge Bezüge bestehen aber auch zur allgemeinen Elektrotechnik, die derzeit Endgeräte für den ortsunabhängigen Zugriff entwickelt. In dieser spezifischen Positionierung ist die Wirtschaftsinformatik heute eine etablierte Disziplin in den deutschsprachigen Hochschulen. Entstanden

6

1.2 Aufbau dieses Lehrbuchs

ist sie in den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts. Der Ausbau des Fachs erfolgte – gemessen an der Anzahl der Professuren an den Universitäten – in mehreren Wellen, was sich mit der zunehmend gefragten Problemlösungskompetenz der Wirtschaftsinformatik erklären lässt. Im Jahr 2002 waren an deutschsprachigen Universitäten ca. 140 Professuren für Wirtschaftsinformatik eingerichtet, überwiegend in den wirtschaftswissenschaftlichen Fachbereichen, wobei in den letzten Jahren die Anzahl der WirtschaftsinformatikProfessuren in den Informatik-Fachbereichen wieder etwas zunahm. Wirtschaftsinformatik wird an den Universitäten einerseits als Spezialisierungsfach innerhalb von Studiengängen der Wirtschaftswissenschaften und der Informatik sowie andererseits auch als eigenständiger Studiengang angeboten. Ein ähnliches Bild ergibt sich an den Fachhochschulen und Berufsakademien. Auch im englischsprachigen Raum werden AS in der Wissenschaft thematisiert, allerdings in einer etwas anderen Form. Fragen des Informationsmanagements werden unter dem Sammelbegriff „Management of Information Systems“ (MIS) bzw. „Information Systems“ (IS) untersucht und gelehrt. Technische Aspekte der Gestaltung von Informationssystemen, insbesondere die Technologien und die methodischen Fragen der Entwicklung von AS, finden sich dort als Teilgebiet der Computer-Science-Disziplin. Weniger Beachtung findet in der angelsächsischen Forschung die Gestaltung innovativer AS.

1.2

Aufbau dieses Lehrbuchs

1.2.1 Integration als Leitidee Der Bedarf nach AS entsteht durch neue technische Optionen (Technologiedruck) oder durch veränderte betriebliche Anforderungen (Bedarfssog). In den letzten Jahren und Jahrzehnten wurden viele neue Technologien verfügbar, von Rechnerkonzepten und Datenbankmanagementsystemen bis zu stationär und mobil zugänglichen Netzen. Genauso haben sich die betrieblichen Anforderungen an vielen Stellen geändert, denkt man z. B. an neue Verfahren einer prozessorientierten Kostenrechnung, flexiblere Arbeitszeitregelungen oder die Notwendigkeit, auf Veränderungen der Nachfrage schnell zu reagieren. Übergreifend ist ein Trend zur Integration zu beobachten, den wir als zentrale Herausforderung für die Wirtschaftsinformatik sowohl in der Vergangenheit als auch in der Zukunft sehen. Die seit der Frühzeit der Anwendungen der IV im Unternehmen zu beobachtende und ständig fortschreitende technische und logische Vernetzung von Daten, Objekten und Personen, die sich nicht zuletzt im alles umfassenden Internet manifestiert, unterstreicht diese Herausforderung.

1 Grundlagen

7

Der Begriff „Integration“ bedeutet „Wiederherstellung eines Ganzen“. In der Wirtschaftsinformatik steht die Integration von AS im Mittelpunkt. AS wurden und werden häufig für einzelne Unternehmen bzw. deren Abteilungen oder sogar einzelne Arbeitsplätze entwickelt, was einem arbeitsplatz-, abteilungs- oder unternehmensübergreifenden Informationsfluss im Wege steht. Integration heißt hier, dass infolge schrittweiser Erfahrung mit komplexen Systemen sowie mit Blick auf sich permanent verbessernde Technologieangebote diese künstlichen Grenzen wieder aufgehoben werden. Gehen wir z. B. davon aus, dass ein Kundenverwaltungs-, ein Auftragssteuerungs- und ein Buchhaltungssystem zusammen mit einem Internetportal die Auftragsabwicklung in einem Industrieunternehmen unterstützen, so ist ohne eine Integration dieser AS eine gezielte und zugleich wirtschaftliche Unterstützung des durchgehenden Ablaufs nicht möglich. Wären etwa das Internetportal und das Kundenverwaltungssystem nicht integriert, würden Änderungen der Kundendaten, die über das Portal hereinkommen, nicht in das Kundenverwaltungssystem gelangen. Bedarf nach Integration kann aber auch im zwischenbetrieblichen Bereich entstehen. Möchte z. B. das eben erwähnte Industrieunternehmen ausgewählten Kunden die Möglichkeit eröffnen, die im eigenen Bestellsystem erfassten Aufträge direkt in sein Auftragsabwicklungssystem zu überspielen, so ist ebenfalls eine Integration der jeweiligen AS erforderlich – sofern nicht von Anfang an ein zusammenhängendes unternehmensübergreifendes Systemkonzept verfolgt wurde. Entscheidend für die AS-Integration ist, welche Konzepte aufeinander abgestimmt werden müssen, sodass ein durchgängiger Informationsfluss entsteht. Hierfür bieten sich drei grundsätzliche Ansatzpunkte an: „ Datenintegration bedeutet, dass die Datenbestände von zwei oder mehr AS so verwaltet werden, dass jedes Datum (z. B. die Kundenadresse) nur einmal gespeichert ist. Bei mehrfachem Auftreten dieses Datums werden die Kopien in einem übereinstimmenden (konsistenten) Zustand gehalten. Technisch zu realisieren ist dies über Aufbau und Betrieb einer übergreifenden Datenbank oder den periodischen bzw. ereignisabhängigen Abgleich von Datenbeständen über Schnittstellen. „ Funktionsintegration ist gegeben, wenn fachlich zusammenhängende Funktionen in einem AS zusammengefasst werden. Beispielsweise fasst man häufig die Funktionen Auftragserteilung, Materialdisposition, Produktionssteuerung, Auslieferung und Abrechnung in einem AS Auftragsabwicklung zusammen. Datenintegrationsprobleme lassen sich so von vornherein vermeiden. Allerdings bietet ein einziges funktionsintegriertes AS nicht immer die besten betriebswirtschaftlichen Lösungen für alle integrierten Funktionen. „ Prozess- oder Vorgangsintegration ist erreicht, wenn aufeinander folgende Funktionen und Teilprozesse gestützt auf AS bruchlos miteinander verbunden sind und ineinander greifen. Bei jedem Bearbeitungsschritt wer-

8

1.2 Aufbau dieses Lehrbuchs

den dem Anwender die erforderlichen Funktionen und Daten zur Verfügung gestellt. Auch lässt sich die Bearbeitung eines Vorgangs viel einfacher überwachen. Voraussetzung für eine Prozessintegration ist eine detaillierte Beschreibung der Prozesse. Prozessintegration findet sich sowohl innerhalb als auch zwischen Unternehmen sowie zwischen Unternehmen und Verbrauchern. Darüber hinaus lassen sich Integrationsansätze der Wirtschaftsinformatik nach weiteren Kriterien systematisieren [Mertens 04]: 1. Nach der Integrationsrichtung in der Pyramide, welche die Aufbauorganisation eines Unternehmens stark vereinfacht darstellt (vgl. Abbildung 1.2.1/1), kann man horizontale und vertikale Integration unterscheiden. 1.1 Unter horizontaler Integration hat man sich in erster Linie die Verbindung der Administrations- und Dispositionssysteme verschiedener Funktionsbereiche (siehe Abschnitt 1.1.2) vorzustellen, also z. B. die Weitergabe der aktuellsten Verkaufszahlen aus dem AS Vertrieb an das AS Produktion zur Erhöhung der Planungsgenauigkeit. 1.2 Vertikale Integration bezieht sich vor allem auf die Datenversorgung der Planungs- und Kontrollsysteme aus den Administrations- und Dispositionssystemen heraus. Sind z. B. kundenbezogene Informationen auf verschiedene AS verteilt, so ermöglicht erst eine Sammlung dieser Daten in einem Planungssystem eine umfassende Analyse der Kundenrentabilität. Planungsund Kontrollsysteme:

Vertikale Integration

Zielsichere Planung und Kontrolle Administrations- und Dispositionssysteme (operative Systeme): Rationalisierung, Effizienz, Ressourcenschonung

Horizontale Integration

Abb. 1.2.1/1 Integrationsrichtungen

2. Bezogen auf die Integrationsreichweite ist die bereits angesprochene innerbetriebliche von der zwischenbetrieblichen (vgl. Abbildung 1.2.1/2) Integration zu unterscheiden. Beispielsweise nutzt das AS des KfzErsatzteilproduzenten U2 die Daten über die Verkäufe einzelner Modelle beim Pkw-Hersteller U1 für sein Lagerbevorratungssystem – und kann so seine Lagerkosten reduzieren. Das Resultat gibt er an das AS des Unterlieferanten U3 weiter, von dem der Ersatzteilproduzent Stahlbleche bezieht.

1 Grundlagen

9

U3 erhält gleichzeitig von U1 Absatzdaten für seine Langfristplanung und avisiert bevorstehende Lieferungen an U2. Absatzdaten

Bestelldaten

U3

U1

Lieferinformationen Abverkäufe

U2

Abb. 1.2.1/2 Beispiel für eine zwischenbetriebliche Integration

3. Nach dem Automationsgrad trennen wir in vollautomatischen und teilautomatischen Informationstransfer. 3.1 Automatischer Informationstransfer liegt z. B. vor, wenn ein AS zur Maschinendatenerfassung bei signifikanten Soll-Ist-Abweichungen ein anderes Programm anstößt („triggert“), das dann eine Diagnose erstellt und eine geeignete „Therapie“ (beispielsweise eine Umdispositionsmaßnahme) veranlasst. Das AS trägt in diesem Fall zur Reduktion der Prozesskosten bei. 3.2 Bei teilautomatischen Lösungen wirken Mensch und Maschine zusammen. Es ist wiederum danach zu differenzieren, wer eine Aktion auslöst („triggert“). Im Regelfall ergreift ein Disponent die Initiative. Beispielsweise erkennt dieser auf Grund der vom AS erzeugten Daten eine sich anbahnende Verspätung bei der Materiallieferung und reagiert mit einer Mahnung an den Lieferanten. Das AS erreicht in diesem Fall eine pünktlichere Güterversorgung. Integrierte AS setzen spezifische Technologien voraus und haben Implikationen auf den Prozess der AS-Entwicklung sowie auf das Informationsmanagement. Außerdem liefern integrierte AS neue Optionen bei der Gestaltung des betrieblichen Informations- und Kommunikationssystems. Die drei erstgenannten Themenfelder werden in den nachfolgenden Kapiteln aufgegriffen. Ergänzend stellen wir anschließend zwei Beispiele für die Implikationen einer integrierten Informationsverarbeitung auf die Organisation dar [Picot u. a. 03]. Die Integration aller kundenbezogenen Daten und die Implementierung komplexer Analyse-, Verarbeitungs- und Prüfalgorithmen hat mit zum Konzept der vollintegrierten und der teilautonomen Einzelarbeitsplätze geführt, wie es seit den 70er Jahren diskutiert wird. Zentrale Idee ist, dass der Kunde lediglich einen Ansprechpartner hat, der seinen Wunsch kompetent und abschließend bearbeiten kann. Auch werden Vorteile bei der Motivation der

10

1.2 Aufbau dieses Lehrbuchs

Mitarbeiter erwartet. Derartige Arbeitsplätze finden sich häufig in Banken und Versicherungen sowie zunehmend auch in öffentlichen Verwaltungen. In den 90er Jahren hat sich die Diskussion auf die zwischenbetriebliche Organisation verlagert. Gerade das Internet mit seinen standardisierten Diensten hat die Kommunikationskosten nachhaltig gesenkt und damit die Zusammenarbeit spezialisierter Unternehmen über eine räumliche Distanz tendenziell erleichtert. Entstanden sind neue Kooperationsformen zwischen Markt und Unternehmen („Hierarchie“). Ein Beispiel hierfür sind die sog. virtuellen Unternehmen, in denen selbstständige Unternehmen kooperativ und in den unterschiedlichsten Konfigurationen Aufträge abwickeln. Neben anderen ökonomischen Einflussfaktoren haben z. B. die Verschärfung des Wettbewerbs und die Individualisierung der Nachfrage sowie insbesondere die Reduktion der Kommunikationskosten zu dieser Organisationsform geführt. Mit Hilfe der Transaktionskostentheorie lässt sich dies erklären. Im Mittelpunkt der Transaktionskostentheorie steht die mit dem Austausch von Gütern und Dienstleistungen verbundene Übertragung von Verfügungsrechten. Diese Übertragung wird als Transaktion bezeichnet. Die bei der Durchführung einer Transaktion für Anbahnung (z. B. Informationssuche über potenzielle Transaktionspartner), Vereinbarung (z. B. Verhandlung), Kontrolle (der vereinbarten Leistung) und Anpassung (bei veränderten Bedürfnissen) anfallenden Kosten sind die Transaktionskosten. Vornehmlich sind dies Kosten für die Kommunikation. Als wichtigster Einflussfaktor auf die Höhe der Transaktionskosten wird die Spezifität gesehen. Die Spezifität einer Transaktion ist umso höher, je größer der Wertverlust ist, der entsteht, wenn die zur Transaktionsdurchführung erforderlichen Ressourcen anderweitig eingesetzt werden müssten. Die Transaktionskostentheorie liefert u. a. Aussagen zum Zusammenhang zwischen dem Grad der Spezifität und der transaktionskostenminimalen Organisationsform. Danach werden Transaktionen geringer Spezifität, also Standardleistungen, am günstigsten über Märkte, Transaktionen mittlerer Spezifität über Kooperationen und Transaktionen hoher Spezifität innerhalb von Unternehmen abgewickelt. AS können in zwei unterschiedlichen Formen auf die Auswahl einer transaktionskostenminimalen Organisationsform Auswirkungen haben: „ Move-to-the-Market: Mit Hilfe von AS lassen sich die Transaktionskosten generell reduzieren: Transaktionspartner lassen sich z. B. über Datenbanken leichter identifizieren, elektronische Signaturen erleichtern den Vertragsabschluss, der Produktionsfortschritt lässt sich etwa durch spezifische Portale für Kunden leichter überwachen etc. Dies bedeutet generell, dass der Markt als Koordinationsform relativ vorteilhafter wird und sich erst bei einem höheren Grad an Spezifität der Wechsel vom Markt zur Kooperation bzw. von der Kooperation zum Unternehmen lohnt.

1 Grundlagen

11

„ Move-to-the-Middle: Durch leistungsfähigere AS kann ein höheres Ausmaß an Spezifität zwischenbetrieblich beherrscht werden. Wollen Betriebe oder Freiberufler im virtuellen Unternehmen mitarbeiten, müssen sie z. B. für spezifische Datenaustauschstandards besondere Schnittstellen einrichten. Dies bedeutet, es entstehen zwei gegenläufige Entwicklungen: Move-to-the-Market durch Transaktionskostenreduktion und Move-tothe-Hierarchy durch Erhöhung der Spezifität. Im Ergebnis gewinnen „mittlere“ Organisationsformen an Attraktivität. Dies erklärt auch die häufiger zu beobachtende Existenz virtueller Unternehmen und anderer Ausprägungen zwischenbetrieblicher Kooperationen.

1.2.2 Strukturierung und Schwerpunktsetzung Ziel des vorliegenden Lehrbuchs ist es, Studierenden am Anfang ihres Studiums sowie interessierten Praktikern einen grundlegenden und dennoch möglichst kompakten Überblick über die Wirtschaftsinformatik zu geben. Um den umfassenden Stoff zu systematisieren, haben wir uns an der in Abbildung 1.1.1/1 vorgestellten Systematik orientiert, wobei wir der Leitidee der Integration besondere Beachtung schenken: „ Informations- und Kommunikationstechnologien: Integrierte AS basieren auf vernetzten Rechnern. Am plastischsten zeigt sich dies am Beispiel vernetzter PCs innerhalb eines Büros. Genauso ist aus technischer Perspektive das Internet als Vernetzung sehr vieler lokaler Netze zu verstehen. In Abschnitt 2 geben wir einen Überblick über den Aufbau von Rechnern verschiedener Größen und für unterschiedliche Anwendungsfelder, deren Software sowie deren Vernetzung über technische Kommunikationssysteme. Aus Sicht betriebswirtschaftlicher Anwendungen spielen die Speicherung und Verwaltung von Daten mit Hilfe von Datenbanksystemen sowie die Verfügbarmachung von Methoden zur systematischen Verarbeitung von Daten eine besondere Rolle. Aus diesem Grund geben wir mit Kapitel 3 einen vertieften Einblick in Konzeption und betriebswirtschaftliche Nutzung von Datenbankmanagementsystemen; vorangestellt ist eine Klärung der Begriffe Daten, Information und Wissen. Einen besonderen Stellenwert nehmen auch hier die technische Vernetzung, diesmal bezüglich der Datenbestände, sowie die Ausdehnung der Betrachtung auf Fragen der Information und des Wissens ein. „ AS: AS finden sich in den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern. Mit Kapitel 4 geben wir einen Einblick in ausgewählte Beispiele. Die Auswahl ist so getroffen, dass die wichtigsten betrieblichen Anwendungsbeispiele vorkommen und die bedeutendsten Technologien sowie die wichtigsten Varianten der Integration aufgegriffen werden. Da die Ausgestaltung des Administrations- und Dispositionssystems auch von dem Wirtschaftszweig und der Branche abhängt, unterscheiden wir Unternehmen, die physische Güter produzieren (Industrie), von solchen, die Dienstleistungen erbringen (Handel, Banken, Verkehr, Medien, Gastronomie). Zur Struktu-

12

1.3 Literatur zu Kapitel 1

rierung greifen wir dabei auf industrie- und dienstleistungsspezifische Wertschöpfungsketten zurück. „ AS-Entwicklung: AS werden konzipiert, entwickelt, eingeführt, genutzt, im Rahmen von Wartungsprojekten weiterentwickelt und irgendwann einmal abgeschaltet. Jedes AS durchläuft einen derartigen Lebenszyklus. In Abschnitt 5 geben wir einen Überblick über diesen Lebenszyklus, wobei unser Fokus auch hier auf der Entwicklung integrierter Systeme liegt. Derartige Systeme können sowohl selbst entwickelt, vollständig in Form von Standardsoftware zugekauft oder aus gekauften oder selbst erstellten Komponenten zusammengestellt werden. In unserer einführenden Darstellung berücksichtigen wir alle drei Varianten. „ Informationsmanagement: Die Planung des Einsatzes einer integrierten IV sowie die IV-Organisation sind vorrangige Aufgaben des Informationsmanagements. In Abschnitt 6 stellen wir Instrumente vor, die den Informationsmanager bei der Bewältigung dieser Aufgaben unterstützen. Die IV-Planung betrachten wir auf drei Aggregationsniveaus: hoch aggregiert im Hinblick auf die langfristige Stoßrichtung des IV-Einsatzes, auf einem mittleren Aggregationsniveau hinsichtlich des mittelfristigen „Bebauungsplans“ der IV und detailliert im Hinblick auf die kurzfristige Abgrenzung und Priorisierung der IV-Projekte. Auf diese Weise stellen wir auch die Verbindung zur Geschäftsstrategie bzw. zu Projekten der ASEntwicklung her. Bezüglich der IV-Organisation wird einleitend die Frage aufgegriffen, welche IV-Funktionen ein Unternehmen selbst übernehmen oder an externe Dienstleister vergeben sollte. Darauf aufbauend stellen wir dar, wie die im Unternehmen verbliebenen IV-Funktionen in die Aufbauorganisation eines Unternehmens einzubinden sind. Zur Abrundung geben wir einen Überblick über den rechtlichen Rahmen des Handelns im Informationsmanagement sowie über typische Berufsbilder eines Wirtschaftsinformatikers.

1.3

Literatur zu Kapitel 1

Mertens 95

Mertens 04 Picot u. a. 03

Mertens, P., Wirtschaftsinformatik: Von den Moden zum Trend, in: König, W. (Hrsg.), WIRTSCHAFTSINFORMATIK ’95, Wettbewerbsfähigkeit, Innovation, Wirtschaftlichkeit, Heidelberg 1995, S. 25-64. Mertens, P., Integrierte Informationsverarbeitung 1, Operative Systeme in der Industrie, 14. Aufl., Wiesbaden 2004. Picot, A., Reichwald, R. und Wigand, R., Die grenzenlose Unternehmung, 5. Aufl., Wiesbaden 2003.

2 Rechner und deren Vernetzung

Rechner dienen der Automatisierung von Informationsverarbeitungsprozessen und der Unterstützung von Entscheidungsträgern. Sie können in Netze integriert werden, um im Leistungsverbund ihren Nutzen zu steigern. Informations- und Kommunikationsnetze, allen voran das Internet als „Netz der Netze“, haben tief greifende Funktions- und Prozessänderungen zur Folge, die sowohl die Arbeitsumwelt (etwa durch Auslagerung von Produktionsschritten ins Ausland) als auch weite Teile des gesellschaftlichen Zusammenlebens berühren (man denke an Onlineshopping oder Onlinebanking). Im folgenden Kapitel beschreiben wir die technischen Grundlagen dieser Vernetzung und gehen nach einer Darstellung von materiellen und immateriellen Bestandteilen von Mikrocomputern bzw. Personal Computern (PC), also der Hardware und Software, auf die wichtigsten Eigenschaften verschiedener Rechnerklassen ein. Im Anschluss daran werden unterschiedliche Netzkonzepte und -architekturen aufgezeigt, ausgehend von lokalen, unternehmensinternen Netzen bis hin zu globalen Netzwerken. Den Abschluss bildet eine Beschreibung der physischen und logischen Infrastruktur des Internets als Grundlage globaler Vernetzung, um Kooperationsvorteile und preiswerte Zugriffsmöglichkeiten auf weltweit verfügbare Informationsressourcen zu eröffnen.

2.1

Hardware

Unter Hardware versteht man vereinfacht ausgedrückt alle physischen Komponenten und Geräte, aus denen sich ein Computer oder Rechnernetzwerk zusammensetzt. Ein typischer PC-Arbeitsplatz besteht aus den folgenden Hardwarekomponenten: „ „ „ „

Zentraleinheit, die sich aus Prozessor und Hauptspeicher zusammensetzt externe Speicher (z. B. CD-ROM, Diskette) Dateneingabegeräte (z. B. Tastatur, Maus, Scanner) Datenausgabegeräte (z. B. Bildschirm, Drucker)

Darüber hinaus lässt sich ein solcher Arbeitsplatz um eine Netzwerkschnittstelle (z. B. Netzwerkkarte, Modem) ergänzen, wodurch der Computer an ein Kommunikationsnetz angeschlossen werden kann (siehe Abschnitt 2.4).

14

2.1 Hardware

Neben stationären Arbeitsplätzen gewinnen portable Geräte wie Laptops und Personal Digital Assistants (PDA), etwa in Verbindung mit Mobiltelefonen, zunehmend an Bedeutung. Die Arbeitsweise eines Rechners kann man sich wie folgt vorstellen: Zunächst werden Daten eingegeben, z. B. über die Tastatur, optische Lesegeräte oder externe Speicher. Diese werden dann verarbeitet und anschließend etwa auf einem Bildschirm, Drucker oder einem externen Speichermedium ausgegeben. Dieser Ablauf wird als Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe-Prinzip bezeichnet (EVA-Prinzip). externer Speicher

Zentraleinheit Hauptspeicher Dateneingabe z. B. Tastatur oder Maus

Cache

Cache

AB

Datenausgabe z. B. Bildschirm oder Drucker

DB Prozessor

Steuerwerk

Rechenwerk

Legende: AB: Adressbus DB: Datenbus

Abb. 2.1/1 Verallgemeinerter Aufbau der Zentraleinheit

Eine Zentraleinheit bzw. Central Processing Unit (CPU) besteht in der Grundform aus einem Hauptspeicher und einem Prozessor, der sich wiederum aus einem Rechenwerk und einem Steuerwerk zusammensetzt (gelegentlich wird der Begriff CPU auch für den Prozessor allein verwendet). Abbildung 2.1/1 verdeutlicht diese Architektur. In der Zentraleinheit wird eine vom Benutzer gestellte Aufgabe als Kette von Hauptspeicher-Zustandsänderungen behandelt. Dieser Gedanke ist an dem einfachen Beispiel „Bewegung durch den Irrgarten“ in Abbildung 2.1/2 nachvollziehbar, in dem der Prozessor nur Laufbefehle der Programmiersprache SUPERSCHRITT interpretieren und ausführen kann. Eine Anweisung beschreibt die Richtung (Nord, West, Süd, Ost) sowie die Schrittweite (ein Schritt, zwei Schritte) entsprechend den Codiervorschriften. Die Darstellung erfolgt in Bitschreibweise, wobei ein Bit ein einstelliges Zeichen ist, das entweder den Wert 0 oder 1 annehmen kann. Ein Befehl setzt sich aus zusammen, wobei Bit 1 und Bit 2 die Richtung des Laufens spezifizieren und Bit 3 die Schrittlänge. Mit diesen Mitteln lässt sich ein Programm formulieren, das die in Abbildung 2.1/2 gestellte Aufgabe erfüllt. Die Befehlsfolge wird dabei in die linke Spalte der Tabelle in der Abbildung geschrieben und jeweils rechts davon der neue Standort nach Durchführung des Befehls eingetragen.

2 Rechner und deren Vernetzung

15

Zur Verdeutlichung der Programmabarbeitung als Kette von Hauptspeicher-Zustandsänderungen stellen wir uns vor, das gesamte Programm sei im Hauptspeicher geladen. Das Steuerwerk holt sich dort den ersten Befehl, wobei ein sog. Cache dazu dient, zur Ausführung anstehende Hauptspeicherinhalte auf einem schnellen Speichermedium in kurzer Zeit zugreifbar anzubieten. Das Steuerwerk interpretiert den Befehl und veranlasst das Rechenwerk, ihn auszuführen. Die Figur wird bewegt, indem das Rechenwerk den Standort aus dem Hauptspeicher liest und laut Vorschrift verändert. Das Ergebnis der Abarbeitung des ersten Befehls legt der Prozessor wiederum im Hauptspeicher ab (z. B. durch Überschreiben der „alten“ Position mit der „neuen“) und nimmt dann den nächstfolgenden Befehl, um wie oben beschrieben zu verfahren. Er interpretiert die Operationsart, holt die Operanden (hier: die Koordinaten) aus dem Hauptspeicher und führt die Operation aus, indem er den Inhalt des Hauptspeichers verändert. Computer, deren Zentraleinheit entsprechend Abbildung 2.1/1 aufgebaut ist und die den vorgenannten Ablaufzyklus der Befehlsverarbeitung realisieren, werden nach dem Mathematiker und Kybernetiker John von Neumann, der diese Prinzipien der sog. speicherprogrammierten Rechner 1946 formulierte, als von-Neumann-Rechner bezeichnet. Eine Darstellung alternativer Rechnerarchitekturen, die z. B. in einem System mehrere parallel arbeitende Prozessoren aufweisen, findet sich u. a. bei [Giloi 00]. Aufgabe: Bewege die Figur durch den Irrgarten zum Ziel

x

110

101

100

011

010

Befehl

001

000

Standort nach Ausführung des Befehls x

y

000

000

Standort 000

001

010

011

y

Codiervorschriften Laufrichtung Codierung Schrittweite Codierung

Nord 00

West 01 1 Schritt 0

Süd 10

Ost 11 2 Schritte 1

Abb. 2.1/2 Irrgarten und Codiervorschriften

Da die Hardware nur das Rechenwerk für die Befehlsabarbeitung zur Verfügung stellt und damit sozusagen ein Mehrfunktionsautomat ist, sind da-

16

2.1 Hardware

rüber hinaus für den gezielten Betrieb eines jeden IV-Systems Programme (Software), aber auch Daten erforderlich (siehe Abschnitt 3).

2.1.1 Zentraleinheit 2.1.1.1

Prozessor

Hersteller von Mikroprozessoren drücken deren Leistungsfähigkeit i. d. R. durch die Maßzahl Gigahertz (GHz) aus, welche die Taktfrequenz des Prozessors angibt. Sie determiniert, wie viele Befehle pro Sekunde ausgeführt werden können, erlaubt jedoch keinen direkten Rückschluss auf dessen Verarbeitungsgeschwindigkeit. Die interne Verarbeitungsgeschwindigkeit eines Prozessors ist des Weiteren davon abhängig, wie schnell z. B. die einzelnen Einheiten Rechenwerk, Steuerwerk, Cache und Hauptspeicher operieren und wie rasch zwischen Rechenwerk und Steuerwerk, den beiden Komponenten des Prozessors, sowie zwischen Prozessor, Cache und Hauptspeicher kommuniziert werden kann. Diese Einheiten sind mit sog. Bussen, die man sich als mehradrige Kabel vorstellen kann, verbunden. Man unterscheidet zwischen dem Adressbus, der den Hauptspeicher mit dem Steuerwerk verbindet, und dem Datenbus, der Hauptspeicher und Rechenwerk verknüpft (vgl. Abbildung 2.1/1), wobei sich die Bitangabe (als weiteres Leistungsmerkmal eines Prozessors) i. Allg. auf die gleichzeitig über einen Bus übertragbare Datenmenge bezieht. Intel-Prozessoren des Typs Pentium IV verfügen bspw. über einen 64-Bit-Daten- und einen 32-Bit-Adressbus. Busse dienen zudem auch der externen Kommunikation der CPU, bspw. mit Speichermedien wie einer Festplatte. Man unterscheidet folglich in interne (innerhalb der CPU) und externe Datenwege. Da die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Prozessors i. d. R. wesentlich höher ist als die Zugriffsgeschwindigkeit auf den Hauptspeicher, halten Caches, die sowohl Bestandteil des Prozessors als auch dem Hauptspeicher vorgelagert sein können, diejenigen Informationen vor, die voraussichtlich in den nächsten Arbeitsschritten benötigt werden. 2.1.1.2

Hauptspeicher

Der Hauptspeicher eines DV-Systems besteht aus dem Arbeitsspeicher und einem Festwertspeicher. Der Arbeitsspeicher (Random Access Memory, RAM) setzt sich aus direkt adressierbaren Speicherzellen zusammen, die als Speicherworte bezeichnet werden. Bei einem PC besteht ein Wort i. d. R. aus 2 oder 4 Byte (1 Byte entspricht 8 Bit), bei Großrechnern normalerweise aus 4 Byte. Hauptspeicherkapazitäten werden in Megabyte (1 MB = 220 Byte = ca. 1 Mio. Byte) angegeben. Handelsübliche Rechner besitzen heute eine Arbeitsspeicherkapazität von 512 MB und mehr.

2 Rechner und deren Vernetzung

17

Alle Programme müssen zum Zeitpunkt ihrer Ausführung vollständig oder partiell (mit dem aktuell auszuführenden Teil) im Arbeitsspeicher zur Verfügung stehen. Im zweiten Fall bietet das Betriebssystem die virtuelle Speichertechnik an. Dabei lagert es automatisch Programmteile, die nicht mehr in den Arbeitsspeicher geladen werden können (da z. B. andere Programme ebenfalls zur schnellen Abarbeitung im Hauptspeicher abgelegt sein müssen), auf der Magnetplatte aus und bringt sie nur bei Bedarf in den Arbeitsspeicher, wodurch sich dieser logisch, jedoch nicht physisch vergrößert. Das Ein- und Auslagern auf Magnetplatte bezeichnet man auch als Paging, da Programme und Hauptspeicher aus mehreren gleich großen Seiten (Pages) bestehen. Im Gegensatz zu Magnetspeichern, die Daten auch nach Abschalten des Rechners halten, verliert der Arbeitsspeicher bei einer Unterbrechung der Stromzufuhr alle Informationen, die sich gerade in ihm befinden. Ein Festwertspeicher (Read-only Memory, ROM) kann nur gelesen, nicht jedoch verändert werden. Festwertspeicher werden i. d. R. vom Hersteller beschrieben. Eine alternative Vorgehensweise besteht darin, den Speicher außerhalb des normalen DV-Betriebs erstmalig und dauerhaft mit Informationen zu versehen (Programmable ROM, PROM). Schließlich gibt es Speicher, bei denen man den Inhalt mehr oder weniger einfach löschen und durch einen neuen ersetzen kann (etwa Erasable PROM, EPROM oder FlashROM). Der Festwertspeicher dient u. a. der Aufbewahrung wichtiger grundlegender Teile des Betriebssystems, auf die beim Einschalten des Rechners automatisch zugegriffen wird (z. B. hardwarenahe Programme zur Ansteuerung des Bildschirms oder zur Kommunikation mit der Tastatur).

2.1.2 Externe Speicher Ein externer Speicher ist speziell dazu geeignet, größere Datenmengen langfristig aufzubewahren und transportabel zu machen. Die wichtigsten externen Speichermedien sind: „ „ „ „ „ „

Magnetplatte Diskette optischer Speicher USB-Speicherkarte oder -Stick Smartcard Magnetband bzw. Streamer

Eine Magnetplatte (auch als Festplatte oder Harddisk bezeichnet) weist i. d. R. mehrere übereinander gestapelte Kunststoff- oder Aluminiumscheiben auf, die mit einer magnetisierbaren Schicht überzogen sind. Daten werden in Form von Bitketten in konzentrischen Spuren durch Magnetisierung dargestellt. Der vielfach fest im PC-Gehäuse installierte Plattenstapel dreht sich mit konstanter Geschwindigkeit. Auf die Daten greifen Schreib-Lese-Köpfe zu, die radial auf die gewünschte Spur positioniert werden und dann warten, bis der Sektor mit den zu verarbeitenden Daten „vorbeikommt“. Diese

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2.1 Hardware

Zugriffsform wird wegen der Umdrehungswartezeit auch als halb direkter Zugriff bezeichnet. Magnetplatten für PC besitzen heute i. Allg. eine Speicherkapazität von 60 bis 120 Gigabyte (1 GB = 230 Byte = ca. 1000 MB). In Großrechnersystemen (siehe Abschnitt 2.3.1) werden Kapazitäten von mehreren Terabyte (1 TB = 240 Byte = ca. 1 Mio. MB) erreicht. Zu den Vorteilen von Magnetplatten gehören deren hohe Speicherkapazität, die verhältnismäßig schnellen Zugriffszeiten sowie die relativ hohe Datensicherheit aufgrund des robusten Aufbaus. Sollen z. B. Sicherungskopien von Datenbeständen gelagert oder zwischen nicht vernetzten Rechnern ausgetauscht werden, so greift man auf transportable Speichermedien zurück. Verbreitung haben hier insbesondere Disketten, optische Speichermedien, USB-Speicherkarten und Smartcards sowie Magnetbänder gefunden. Die Diskette stellt ein zurzeit noch verwendetes Speichermedium für Mikrocomputer dar. Es handelt sich dabei um eine 3,5-Zoll-Scheibe, die sich in einer Hartplastikumhüllung befindet, ähnlich wie die zuvor beschriebene Magnetplatte funktioniert (halb direkter Zugriff) und über eine Speicherkapazität von 1,44 MB verfügt. Neben Disketten haben eine Reihe weiterer transportabler Speichermedien Verbreitung gefunden, die sich in ihrer Gestalt und Funktionsweise ähnlich sind, jedoch insbesondere durch höhere Umdrehungsgeschwindigkeiten und alternative Formate Kapazitäten von 120 MB bis 2 GB bei niedrigen Zugriffszeiten erreichen (z. B. LS-, Zip- oder JazDisketten). Bei optischen Speichern zeichnet man die Daten mit einem Laserstrahl auf der unterhalb einer transparenten Schutzschicht liegenden Speicherschicht auf, wobei deren Oberfläche verändert wird. Diese Strukturen sind wiederum mittels Laserstrahl abtastbar. Da das Laserlicht eine kurze Wellenlänge aufweist und sehr genau positioniert werden kann, besitzen optische Speicher eine hohe Kapazität. Es werden verschiedene Techniken unterschieden: „ CD-ROMs (Compact Discs Read Only Memory) haben eine Speicherkapazität von bis zu 700 MB (dieser Wert entspricht 80 Audiominuten). Standardsoftware wird häufig über dieses Medium vertrieben. Ein weiteres Anwendungsgebiet liegt in der Verwaltung großer und weit gehend unveränderlicher Datenmengen, z. B. von Enzyklopädien oder Telefonbüchern. Dabei gewinnt die Integration von Text, Video und Audio an Bedeutung. Weitere Formen umfassen CD-R (CD-Recordable) zum einmaligen und CD-RW (CD-ReWriteable) zum wiederholten Beschreiben von CDs. Die Speicherkapazität einer CD-RW liegt bei 650 MB. „ DVDs (Digital Versatile Disc, häufig auch digitale Video Disc) sind die bislang aktuellste Entwicklung im Bereich optischer Speichermedien. Die für komplexe audiovisuelle Anwendungen konzipierte DVD substituiert insbesondere die CD und bildet eine Alternative zu bisherigen Wechsel-

2 Rechner und deren Vernetzung

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speichern und Bandlaufwerken. Durch beidseitiges Beschreiben des Datenträgers werden Speicherkapazitäten von 4,7 GB bis zu 17 GB erreicht. Weiterentwicklungen umfassen DVD-R und DVD+R (DVD-Recordable) zum einmaligen und DVD-RAM sowie DVD-RW/+RW zum wiederholten Beschreiben. USB (Universal Serial Bus)-Speicherkarten sind transportable „Festplatten“ im Miniaturformat auf Flash-ROM-Basis, die an der USB-Schnittstelle des Rechners eingesteckt werden können und ohne permanente Stromversorgung Daten speichern. Die Bezeichnung ROM ist eigentlich irreführend, da der Halbleiterspeicher sowohl das Lesen als auch das Schreiben von Daten ermöglicht. Die Speicherkapazität dieser auch Sticks genannten Trägermedien liegt bei bis zu 2 GB. Die Zugriffszeit wird von der USB-Schnittstelle bestimmt und liegt zwischen ca. 1 MB/s (USB 1.1) und 7 MB/s (USB 2.0) bzw. 12 Mbit/s und 480 Mbit/s. Smartcards haben das Format einer Scheckkarte und verfügen i. d. R. über einen eingebetteten Mikroprozessor mit zugehörigem Speicher, dessen Inhalt verändert werden kann. Die Kommunikation erfolgt über ein Lesegerät. Smartcards können zur Speicherung von Daten dienen (Memory-Card, bspw. Krankenversicherungskarte) oder auch einen eigenen Prozessor mit Betriebssystem enthalten (Processor-Card, bspw. Telefonkarte). Die Kapazität von Smartcards liegt derzeit bei dem Textumfang, der auf etwa 15 DIN-A4-Seiten Platz findet. Ein Magnetband besteht aus einem Kunststoffstreifen mit einer aufgedampften magnetisierbaren Schicht, auf der Daten gespeichert werden. Für Mikrocomputer existieren Magnetbandspeicher in Kassettenform, die als Streamer bezeichnet werden. Die Kassetten haben eine Speicherkapazität von bis zu mehreren GB. Magnetbänder bzw. Kassetten besitzen jedoch den Nachteil, dass lediglich ein sequenzieller Zugriff auf die gespeicherten Daten möglich ist. Um einen bestimmten Datensatz zu lesen, ist es notwendig, zunächst auf alle vor ihm gespeicherten Daten nacheinander zuzugreifen, wodurch eine lange Wartezeit entstehen kann. Daher wird dieses Speichermedium hauptsächlich zur Datensicherung verwendet, z. B. für Backup-Datenbestände im Falle einer ungewollten Datenvernichtung.

2.1.3 Datenein- und -ausgabegeräte Das wichtigste Gerät zur Dateneingabe neben der Tastatur ist die Maus. Hierbei handelt es sich um ein etwa faustgroßes Eingabegerät, das auf dem Tisch mit der Hand bewegbar ist. Die Erkennung einer Ortsveränderung und deren Umsetzung in Impulse zur Bewegung eines Positionierungspfeils (Pointer) auf dem Bildschirm erfolgt über mechanische oder optische Sensoren an deren Unterseite. Eine Maus besitzt grundsätzlich mehrere Tasten, mit denen Aktionen ausgelöst werden können. Ähnlich funktioniert der Trackball, den man sich als eine auf dem Rücken liegende Maus vorstellen kann.

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2.1 Hardware

Der Lightpen ist ein stiftartiges Eingabegerät, das einen lichterkennenden Sensor benutzt, um Objekte auf einem Bildschirm auszuwählen. Um die Bedienung eines Computers möglichst einfach und den natürlichen Verhaltensweisen des Menschen entsprechend zu gestalten, wird zunehmend der Touchscreen zur Dateneingabe verwendet. Der Benutzer deutet auf ein Objekt und optische oder magnetische Sensoren registrieren Berührung sowie Positionierung auf dem Bildschirm (z. B. bei Geldautomaten). Ein weiteres bedeutendes Eingabemedium ist der optische Belegleser. Er erfasst genormte Daten, z. B. Bar- und OCR (Optical-Character-Recognition)-Code, indem etwa mit einem Lesestift die einzugebende Vorlage abgetastet wird, um Hell-Dunkel-Unterschiede zu erkennen und auszuwerten. Optische Eingabegeräte benutzt man z. B. an Scannerkassen in Supermärkten oder in Kreditinstituten zum Einlesen von Formularen. Eine Variante optischer Belegleser sind sog. Scanner, welche die Vorlage in Bildpunkte zerlegen und als Graubild oder farbig erfassen (z. B. Fotos und Grafiken). Zunehmendes Gewicht gewinnt auch die Dateneingabe durch Digitalkamera und Mikrofon. Mobile Datenerfassungsgeräte kann man sich als verkleinerte Ein- und Ausgabeeinheiten vorstellen, die bspw. im Führerhaus eines Lastkraftwagens mitgeführt werden, um aufgenommene Sendungen zu quittieren. Das für die betriebliche Informationsverarbeitung wichtigste Ausgabemedium ist der Bildschirm (Monitor). Er dient der Datenausgabe (etwa in Form von Tabellen und Grafiken) und unterstützt die Eingabe, da auf dem Bildschirm z. B. auch Masken zur Datenerfassung und Symbole (Icons) zur Aktivierung von Programmen dargestellt werden. Gängige Bildschirmgrößen sind 17 oder 19 Zoll in der Diagonale mit einer Auflösung von 1024 x 768 bzw. 1280 x 1024 Pixel (Bildpunkte in der Horizontalen und Vertikalen). Ein weiteres wichtiges Ausgabegerät ist der Drucker, der es erlaubt, Arbeitsergebnisse auf Papier zu bringen. Verwendung finden sowohl Tintenstrahl- als auch Laserdrucker. Beim Tintenstrahldrucker werden Zeichen und Grafiken aus Einzelpunkten zusammengesetzt, die als schnell trocknende Tinte auf das Papier gespritzt werden. Im Vergleich dazu zeichnen sich Laserdrucker durch eine bessere Druckqualität sowie eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit aus. Die Seite wird als Ganzes im Drucker aufgebaut und mittels Toner auf das Papier übertragen. Die Arbeitsweise ist mit der von Fotokopiergeräten vergleichbar. Als weiteres Ausgabegerät ist Computer Output on Microfilm zu erwähnen, das z. B. (Platz sparende) Mikrofilme archivierungspflichtiger Dokumente erzeugt. Neben der erstmaligen Erfassung von Daten durch ein Eingabegerät gewinnt der Bezug von Informationen von einem anderen Rechner über ein

2 Rechner und deren Vernetzung

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Netz (siehe Abschnitt 2.4) zunehmend an Bedeutung. Dies gilt ebenso für die Datenausgabe an einen anderen PC.

2.2

Software

Software bildet die Voraussetzung für den Betrieb eines Rechners und bezeichnet allgemein in einer Programmiersprache (siehe Abschnitt 2.2.1.2) geschriebene Programme, die nach Übersetzung auf einem Rechner ausführbar sind. Man unterscheidet nach dem Kriterium der Nähe zur Hardware bzw. der Nähe zur Anwendung zwischen Systemsoftware einerseits und Anwendungssoftware andererseits. SOFTW ARE

SYSTEMSOFTWARE

ANWENDUNGSSOFTWARE

Betriebssysteme Übersetzungsprogramme

Dienstprogramme Protokolle und Treiber

Standardsoftware

Individualsoftware

Basissoftware Standardbürosoftware Funktionsorientierte Standardsoftware

Abb. 2.2/1 Klassifizierung von Software

Eine zentrale Anforderung an Systemsoftware besteht darin, die Hardware einfacher nutzbar zu machen. Beispielsweise wäre es unwirtschaftlich, in jedem Anwendungsprogramm eine eigene Druckersteuerung vorzusehen, die Vorkehrungen für den Fall trifft, dass kein Papier mehr verfügbar ist. Darüber hinaus sind vielfältige weitere Verwaltungs- und Überwachungsleistungen zu erbringen, die im Rahmen der Systemsoftware unter dem Begriff Betriebssystem zusammengefasst werden. Die Systemsoftware umfasst neben dem Betriebssystem Übersetzungsprogramme (für verschiedene Programmiersprachen), Dienstprogramme (erfahrungsgemäß häufig gebrauchte Programme, z. B. zum Sortieren von Daten) sowie Treiber zur Kommunikation mit Peripheriegeräten und anderen Rechnern in einem Netz. Die Anwendungssoftware gliedert sich in zwei Klassen: Individualsoftware (z. B. zur Steuerung einer Gepäckbeförderungsanlage) wird speziell auf den Bedarf eines Benutzers hin entwickelt und kann häufig ohne Anpassun-

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2.2 Software

gen nicht von anderen Anwendern (andere Abteilungen oder Unternehmen) eingesetzt werden. Als Standardsoftware bezeichnet man demgegenüber Programme, die nicht für einen einzelnen Anwender, sondern für eine Vielzahl von Kunden mit gleichen oder ähnlichen Aufgaben produziert werden. Standardisierte Lösungen lassen sich zudem in aus betriebswirtschaftlicher Sicht funktionsunabhängige Software, sog. Basissoftware (z. B. Webbrowser), und Standardbürosoftware (z. B. Textverarbeitung) sowie funktionsorientierte Software (z. B. Finanzbuchhaltung) einteilen. Standardsoftware kommt häufig unter verschiedenen Betriebssystemen zum Einsatz. Der Einsatz von Standardsoftware überwiegt bei Mikrocomputern, während bei Großrechnern (siehe Abschnitt 2.3.1) noch häufig Individualsoftware verwendet wird. Die Grenzen zwischen den Softwarekategorien sind jedoch fließend. Beispielsweise werden Datenbanksysteme (siehe Abschnitt 3.1.5) bei Mikrocomputern als Standardanwendungssoftware und bei Großrechnern als Teil der Systemsoftware angesehen. Besonders im privaten Bereich sind des Weiteren (Standard-) Unterhaltungsprogramme, z. B. Computerspiele, anzutreffen, die jedoch im Folgenden nicht weiter betrachtet werden.

2.2.1 Systemsoftware In diesem Abschnitt werden zunächst Betriebssysteme für Mikrocomputer beschrieben. Im Anschluss folgt ein Einschub, in dem Programmiersprachen skizziert und klassifiziert werden. Hierauf aufbauend erläutern die folgenden Abschnitte Übersetzungs- und Dienstprogramme. 2.2.1.1

Betriebssysteme für Mikrocomputer

Das Betriebssystem (Operating System) hat die Aufgabe, die zunächst unabhängigen Komponenten (z. B. Zentraleinheit, Drucker, Tastatur) bei der Bewältigung eines Benutzerauftrags zu koordinieren. Betriebssysteme bilden die Schnittstelle zwischen einem Benutzer bzw. Anwendungsprogramm einerseits und der Hardware andererseits. Sie haben folgende Anforderungen zu erfüllen: „ Bereitstellung eines Systems zur Dateiverwaltung (siehe Abschnitt 3) „ Verwaltung der Hardwarebetriebsmittel (Prozessor, Hauptspeicher, Peripheriegeräte) „ Administration der Benutzeraufträge und Überwachung der Programmabläufe „ Bereitstellung einer (grafischen oder textuellen) Schnittstelle, die dem menschlichen Benutzer die Kommunikation mit dem System ermöglicht Moderne Betriebssysteme für Mikrocomputer lassen sich durch die folgenden Eigenschaften charakterisieren: „ grafische Benutzungsschnittstelle (Graphical User Interface, GUI)

2 Rechner und deren Vernetzung

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„ hierarchische Dateiverwaltung „ Möglichkeit der Batch- und Dialogverarbeitung „ Multitasking Darüber hinaus unterstützen einige Betriebssysteme das sog. Multiusing. Der Begriff der hierarchischen Dateiverwaltung ist aus der klassischen Papierorganisation in Büros bekannt. Beispielsweise enthält ein Aktenschrank verschiedene Regalböden (etwa für Rechnungen, Zahlungsbelege etc.). Auf jedem Regalboden stehen einzelne Hefter, in welchen die Belege sortiert eingeordnet sind. In der IV sammelt und speichert man nicht nur derartige Daten, sondern auch Methoden, nach welchen diese zu bearbeiten sind (Programme). Dabei werden Dateien (hier als Zusammenfassung logisch zusammengehörender Daten definiert, siehe Abschnitt 3.1.3) vom Betriebssystem auf externen Speichermedien, z. B. Magnetplatten oder Disketten, verwaltet. Zur Organisation dieser Dateien kann der Anwender Verzeichnisse und Unterverzeichnisse anlegen. In Abbildung 2.2.1.1/1 hat er bspw. auf der Festplatte ein Hauptverzeichnis aller Verzeichnisse (hier Internetapplikationen, Textverarbeitung, Grafikapplikationen, Datenbanken und Systemdateien) eingerichtet. Das Verzeichnis mit dem Namen Datenbank ist wiederum in die Unterverzeichnisse ACCESS und ORACLE unterteilt. Man erhält die formale Struktur eines Baums mit einer Wurzel (hier links eingezeichnet) und verschiedenen Blättern (rechts dargestellt). Die Programme und Daten stehen an den Blättern, d. h. in den jeweiligen Verzeichnissen, zur Verfügung.

Abb. 2.2.1.1/1 Hierarchische Anordnung von Verzeichnissen

Von Batchverarbeitung spricht man, wenn eine Sequenz von Befehlen, die in Form einer Datei abgelegt ist, hintereinander ohne Eingriff des Benutzers ausgeführt wird. Diese Befehlsfolge ist somit vollständig zu spezifizieren, bevor die Batchverarbeitung beginnt. Ein Beispiel hierzu ist der Ausdruck aller Lohnabrechnungen. Das Gegenstück zur Batchverarbeitung ist die Dialogverarbeitung, bei welcher der Benutzer der Zentraleinheit lediglich Teilaufträge gibt und mit

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2.2 Software

ihr ständig im Dialog steht (z. B. erwartet das System die Eingabe eines Befehls, der dann sofort ausgeführt wird). Man bezeichnet eine solche Arbeitsweise auch als interaktiv. Ein Beispiel ist die Erfassung eines Kundenauftrags in einer Bildschirmmaske. Wird durch das Betriebssystem das sog. Multitasking unterstützt, so ist der Rechner in der Lage, Programme quasi-gleichzeitig auszuführen. Beispielsweise ist es möglich, einen Text zu bearbeiten, während die Maschine dann, solange sie auf die nächste Eingabe wartet, im Hintergrund eine Kalkulation durchführt. Darüber hinaus spricht man von Multithreading, wenn es ein Betriebssystem zulässt, dass ein Programm aus mehreren Prozessen (Threads) besteht (z. B. einem Druckprozess und einem Rechenprozess), und im Zuge der Abarbeitung ein Rechner diese quasi-parallel ausführt. Multiusingbetrieb liegt vor, wenn von einem zentralen Rechner mehrere Terminals und damit mehrere Anwender quasi-parallel bedient werden. Als Singleusingbetrieb bezeichnet man hingegen, wenn nur ein Nutzer versorgt wird. Für Personal Computer werden zurzeit am häufigsten Betriebssysteme der Firma Microsoft (MS) verwendet, die sich zu einer Art inoffiziellem Standard entwickelt haben. Windows 2000/XP Professional gestattet bspw. Multitasking und bietet eine gemeinsame Nutzung von Ressourcen im Netz (siehe Abschnitt 2.4). Unix-Systeme erlauben den Multitasking- und den Multiusingbetrieb. Zudem verfügen einige Varianten über eine integrierte Softwareentwicklungsumgebung. Der Terminus Unix suggeriert eine Einheitlichkeit, die aber so am Markt nicht auffindbar ist. Es existieren verschiedene Versionen und herstellerspezifische Implementierungen (z. B. Solaris von Sun Microsystems, AIX von IBM, Sinix von Siemens, HP-UX von Hewlett-Packard, MacOS X von Apple). Dabei unterstützen einige Hersteller den Multithreadingbetrieb. Eine Besonderheit im Umfeld der Unix-Derivate sind Linux-Betriebssysteme, welche im Gegensatz zu kommerziellen Systemen jedermann frei zugänglich sind. Diese Systeme werden in einer sog. Open-Source-Community, einer Interessens- und Expertengemeinschaft, ständig weiterentwickelt und dem Anwender in Form des Quellcodes, dem unverschlüsselten Originalprogramm des Systems, zur Verfügung gestellt (siehe Abschnitt 2.2.1.3). Dies bietet z. B. Spezialisten die Möglichkeit, eigene Modifikationen vorzunehmen, das Programm auf Sicherheitsbedrohungen hin zu überprüfen und sich an der Weiterentwicklung des Betriebssystems zu beteiligen. Im Bereich der Taschencomputer haben sich eine Reihe weiterer Betriebssysteme etabliert, welche sich insbesondere durch eine hohe Leistungsfähigkeit bei geringem Ressourcenverbrauch auszeichnen. Zu den verbreitetsten Systemen zählen MS Windows CE, PalmOS oder Embedded Linux.

2 Rechner und deren Vernetzung

2.2.1.2

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Programmiersprachen

Ein Rechner einschließlich Betriebssystem wird installiert, um den Anwender bei der Lösung seiner Fachaufgabe (z. B. Buchhaltung, Planung) zu unterstützen. Daher muss nun, aufbauend auf der Betriebssystemschnittstelle, ein AS konstruiert werden, das dies leistet. Die Gestaltung derartiger AS (wie auch des Betriebssystems selbst) erfolgt mittels Programmiersprachen. Unter einer Programmiersprache versteht man eine formale Sprache, mit der eine auf einer Hardware ablauffähige Software entwickelt werden kann. Sie werden häufig nach Programmierparadigmen klassifiziert. Die eindeutige Zuordnung zu einem Paradigma gestaltet sich schwierig, da einzelne Programmiersprachen Merkmale verschiedener Ansätze aufweisen. Wir diskutieren nun zur Gruppierung herangezogene Merkmale, denen in der Praxis anzutreffende Programmiersprachen zugeordnet werden (vgl. Abbildung 2.2.1.2/1). Mit imperativen Sprachen legen Programmierer fest, wie eine Aufgabe durchzuführen bzw. ein Problem zu lösen ist. Programme bestehen aus einer Menge von Anweisungen (Befehlen) und Ablaufstrukturen, die eine sequenzielle oder parallele Ausführung der Anweisungen, welche Zustände ändern, festlegen. Der Zustandsraum wird von konstanten und veränderlichen Werten aufgespannt. Untermengen bilden prozedurale und objektorientierte Programmiersprachen. Bei prozeduralen Sprachen, die sich an der von-Neumann-Rechnerarchitektur orientieren, werden Daten- und Befehlsstrukturen getrennt entworfen. Die Programmierung erfordert entsprechende Kenntnis und Erfahrung. So ist es z. B. möglich, die Codierung in einer an der Fachsprache des jeweiligen Problembereichs ausgerichteten und damit weit gehend maschinenunabhängigen Form vorzunehmen (man spricht von einer problemorientierten Programmiersprache, die meist an die englische Sprache angelehnte Ausdrucksmittel anbietet). Von Vorteil ist dabei, dass Anwender viele Konstrukte des Programms verstehen können. Weiterhin sind Programme (evtl. mit kleinen Änderungen) auch auf andere Betriebssystemumgebungen portierbar. Verbreitete problemorientierte und prozedurale Programmiersprachen sind z. B. BASIC, C, COBOL und FORTRAN. Die Hardware eines Rechners ist jedoch nicht unmittelbar in der Lage, Anweisungen einer Programmiersprache (Quellcode) zu „verstehen“. Sie müssen zunächst mithilfe eines Übersetzungsprogramms (siehe Abschnitt 2.2.1.3) in Maschinensprache, d. h. in eine binäre Darstellung mit der Trennung von Befehlen und Daten, übersetzt werden (Objektcode), welche die Hardware unmittelbar verarbeiten kann (vgl. Abbildung 2.1/2). Objektorientierte (OO-)Programmiersprachen sehen hingegen ein Programm als eine Sammlung von Objekten an, die miteinander in Verbindung stehen und zum Zwecke der Problemlösung Nachrichten austauschen. Gleichartige Objekte gehören zu einer Klasse. Für jede Klasse wird festgelegt, welche Zustände die Objekte annehmen können und welche Ände-

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2.2 Software

rungen des Objektzustands ausgeführt werden sollen, wenn Nachrichten eintreffen. Die Änderungen werden durch Methoden ausgelöst, die direkt an die zugehörigen Objekte gebunden sind (siehe Abschnitt 5.4.1.3). OO-Sprachen unterstützen den Abstraktionsprozess durch die Klassifikation und Kapselung von Objektdaten mit ihrer Verarbeitung. Durch das Konzept der Vererbung bieten sie die Möglichkeit zur Wiederverwendung von Softwarekomponenten und damit zu einer Produktivitätssteigerung der Softwareentwicklung. Ein Beispiel eines betriebswirtschaftlichen Objekts ist eine Rechnung, die (in der Nomenklatur klassischer Systeme) eine Datenstruktur besitzt (z. B. Rechnungskopf mit dem Empfänger der Ware und Rechnungspositionen mit Materialnummer, Auslieferungsmenge und Preis). Gleichzeitig verbindet der Anwender z. B. mit dem Begriff Rechnungsposition die Verfahren, die zugelassen sind, um eine solche zu erzeugen bzw. zu verändern (z. B. Fakturierung). Zur Bereitstellung von OO-Konzepten im Bereich der Programmiersprachen werden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt. Der eine besteht darin, Programmiersprachen auf Basis des objektorientierten Paradigmas zu entwickeln; sie werden als objektorientierte Sprachen bezeichnet. Beispiele hierfür sind EIFFEL, SMALLTALK, Java und C# (gesprochen „C sharp“). Die letzten beiden bilden eine Besonderheit, da verschiedene Merkmale der Objektorientierung, z. B. die Mehrfachvererbung, vernachlässigt wurden. Alternativ ist die Erweiterung traditioneller Programmiersprachen um OO-Konzepte zu beobachten. Vertreter dieser sog. Hybridsprachen sind z. B. C++ (die objektorientierte Erweiterung von C) und VISUAL BASIC (enthält seit Version 4.0 Konzepte der Objektorientierung) [Eicker/Nietsch 99]. Die objektorientierte Programmiersprache Java gilt als derzeit meistverbreitete Programmiersprache für netzbasierte Anwendungssysteme und gewinnt zunehmend an Bedeutung auf mobilen Endgeräten wie Mobiltelefonen und Smartphones (siehe Abschnitt 2.3.4). Sie bietet zusätzlich die Möglichkeit, Programme zu erstellen, die in einem Webbrowser ausgeführt werden können (sog. Applets, siehe Abschnitt 2.5.2). Von den imperativen lassen sich die deklarativen Programmiersprachen unterscheiden. Eine wichtige Eigenschaft besteht darin, dass der Benutzer nicht mehr formulieren muss, WIE ein bestimmtes Problem zu lösen ist, sondern lediglich angibt, WAS gelöst werden soll. Das Übersetzungsprogramm (siehe Abschnitt 2.2.1.3) fügt dann die Prozedur, d. h. die konkrete Ablauffolge zur Lösung der WAS-Aufgabe, hinzu. Teilmengen der deklarativen bilden funktionsorientierte und logikbasierte Programmiersprachen. Dem funktionalen Paradigma liegt der Ansatz zu Grunde, Programme wie mathematische Funktionen zu beschreiben. Sie bestehen aus einer Reihe von Funktionen, die nach bestimmten Regeln zusammengesetzt werden. Ein Beispiel ist die Programmiersprache LISP (List Processing Language).

2 Rechner und deren Vernetzung

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Innerhalb des logischen Paradigmas wird Programmierung als das Beweisen von Tatsachen und Schlussfolgerungen aufgefasst. Insbesondere die sog. Prädikatenlogik findet hierbei Verwendung. Ein in der Literatur häufig genanntes Merkmal ist, dass die Anwendungssysteme in Form von Regeln beschrieben werden. Eine Regel stellt eine Kausalbeziehung zwischen einer (komplexen) Bedingung und einer Konklusion dar (z. B.: Wenn der Auftraggeber bekannt und seine Bonität gesichert ist, dann liefere Ware gegen Rechnung!). Zu den bekanntesten logischen Programmiersprachen zählt PROLOG (Programming Logic). Logische und funktionale Sprachen werden häufig auch als wissensbasierte Sprachen bezeichnet, die vor allem im Zusammenhang mit Künstlicher Intelligenz (KI) (siehe Abschnitt 3.3.3.3) Bedeutung gewonnen haben. Paradigma

Imperativ

Prozedural

C

¥

¥

C++

¥

¥

C#

¥

¥

EIFFEL

¥

¥

Sprache

LISP VISUAL BASIC Pascal

Objektorientiert

¥ ¥

¥

¥

¥

Funktionsorientiert

Logikbasiert

Regelbasiert

Wissensbasiert

¥

¥

¥

¥

PROLOG

¥

Java

¥

¥

SMALLTALK

¥

¥

SQL

Deklarativ

¥

¥

¥

¥

Abb. 2.2.1.2/1 Programmiersprachen und Paradigmen

Des Weiteren zählt man Abfragesprachen für Datenbanksysteme (siehe Abschnitt 3.1.9) zu den deklarativen Sprachen. Sie sind leicht erlernbar und auch für Anwender mit geringen Programmierkenntnissen benutzungsfreundlich. Wichtigstes Beispiel für derartige Programmiersprachen ist SQL (Structured Query Language) als der Quasistandard für relationale Datenbanken (siehe Abschnitt 3.1.9). 2.2.1.3

Übersetzungsprogramme

Die Übersetzung eines Quellcodes in einen Objektcode erfolgt durch einen Compiler oder einen Interpreter. Compiler übersetzen das gesamte Quellprogramm „in einem Stück“ (Batch). Sie prüfen vor der Übertragung das vorliegende Programm auf Syntaxfehler, bspw. auf die korrekte Schreibweise aller Befehle. Im nächsten

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2.2 Software

Schritt wird das Programm übersetzt (kompiliert). Es ist dann jedoch noch nicht lauffähig, sondern muss erst durch den Linker (Binder) um Hilfsprogramme (z. B. zur Ein- und Ausgabesteuerung), die in Bibliotheken abgelegt sind, erweitert werden. Interpreter erzeugen dagegen keinen archivierbaren Objektcode. Vielmehr wird jeder Befehl einzeln abgearbeitet, d. h. immer wieder neu übersetzt und sofort ausgeführt. Dieses Vorgehen bietet Vorteile für die interaktive Programmentwicklung. So kann man etwa die Richtigkeit einzelner ausgeführter Programmschritte verfolgen. In einigen Programmiersprachen werden die dargestellten Vorgehensweisen kombiniert. So vollzieht sich bspw. die Übersetzung eines Java-Quellprogramms in zwei Schritten: Ein Compiler transformiert den Quelltext in einen Zwischencode (Byte-Code), der speziell für eine effiziente und sichere Übertragung im Netz konzipiert wurde und auf jeder Hardware- und Systemsoftwareplattform durch eine sog. Java Virtual Machine (JVM) ausgeführt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, weltweit verteilt erstellte Programmbausteine zu einer lauffähigen Anwendung zu integrieren und auf jedem beliebigen Betriebssystem auszuführen. 2.2.1.4

Dienstprogramme und Treiber

Dienstprogramme ermöglichen die Abwicklung systemorientierter, häufig wiederkehrender, anwendungsneutraler Aufgaben. Dazu zählen etwa Sortierund Suchroutinen sowie systemorientierte Hilfsprogramme (bspw. Transaktionssysteme). Sortier- und Suchprogramme dienen dem Sortieren und Durchsuchen von Daten nach vom Benutzer zu spezifizierenden Kriterien. Die systemorientierten Hilfsprogramme erfüllen Funktionen wie etwa (benutzungsfreundliches) Kopieren von Dateien, Datensicherung oder Optimierung der Speicherorganisation. Sie sind als Bestandteil sowohl innerhalb der Systemsoftware (z. B. Programme zur Defragmentierung in MS Windows) als auch der Basissoftware (z. B. Norton Utilities) zu finden. Transaktionssysteme sind spezielle Hilfsprogramme, welche die Abwicklung von formalisierten und meist kurzen Verarbeitungsvorgängen im Dialog sichern. Bei der Buchung eines Fluges durch ein Reisebüro ist es bspw. notwendig, dass zwischen der Suche nach einem freien Flug und dessen Buchung niemand auf diesen zugreifen kann. Unter Umständen wird hier auch mit verteilten Datenbanken (siehe Abschnitt 3.2.1) gearbeitet, sodass das Transaktionssystem die konsistente Eingabe aller Informationen in allen Datenbeständen gewährleisten muss, bevor der Vorgang abgeschlossen wird. Bei Auftreten eines Fehlers muss jede Eintragung rückgängig gemacht werden.

2 Rechner und deren Vernetzung

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Auch die in einer Software implementierten Treiber können als Dienstprogramme interpretiert werden. Unter einem Treiber (Driver) versteht man ein Programm, das als Übersetzer zwischen den Protokollen (siehe Abschnitt 2.4.1) verschiedener Funktionseinheiten oder einer Programm- und einer Funktionseinheit fungiert. Von einem Rechner an einen Drucker gesendete Signale werden durch den Treiber vorher in ein dem Drucker verständliches Format umgewandelt.

2.2.2 Anwendungssoftware 2.2.2.1

Standardsoftware

Standardsoftware umfasst Produkte, die für den Massenmarkt konzipiert wurden. In der Regel werden sie mit Selbstinstallationsroutinen ausgeliefert und ermöglichen oft nur geringe, bei komplexeren Produkten (z. B. funktionsorientierter Software) jedoch auch größere Anpassungen (Customizing) an die individuellen Bedürfnisse. 2.2.2.1.1

Basissoftware

Basissoftware stellt grundlegende Funktionalitäten zur Verfügung, die unabhängig von spezifischen Arbeitsgebieten genutzt werden. Wesentliche Elemente sind: „ „ „ „ „

E-Mail inkl. Adressverwaltung Terminverwaltung Browser Virenscanner Komprimierungsprogramme

Der elektronische Austausch von Nachrichten zwischen Personen wird als Elektronische Post (E-Mail) bezeichnet. Neben den Grundfunktionen, Nachrichten zu erstellen, zu versenden bzw. zu empfangen, verfügen derartige Systeme über die Möglichkeit, Verteiler zu definieren, Kontaktadressen in Datenbanken zu verwalten und Nachrichten zu verschlüsseln. Das Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) steuert den Transfer von elektronischen Nachrichten zwischen Clients und Servern (siehe Abschnitt 2.4.2). Bekannte Mail-Clients sind MS Outlook (Express) und Netscape Messenger. Oft verbunden mit der Mailverwaltung ist die Terminorganisation (z. B. MS Outlook, MS Exchange). Durch die Integration ist es möglich, gemeinsame Termine per E-Mail zu vereinbaren und automatisch in den Kalender zu schreiben. Solche Anwendungen, welche die gemeinsame Verwaltung von E-Mails, Kontakten, Terminen und anderen Dingen wie Aufgaben und digitalen Merkzetteln ermöglichen, werden auch als Programme des Personal Information Management (PIM) bezeichnet. Diese Funktionalitäten werden

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2.2 Software

dementsprechend auch durch mobile Geräte wie etwa PDAs oder Mobiltelefone (siehe Abschnitt 2.3.4) unterstützt. Als Browser werden allgemein Programme bezeichnet, die eine Suche nach Dateien und deren Platzierung in der Verzeichnishierarchie ermöglichen. Die Visualisierung erfolgt i. d. R. über Baumstrukturen. Wird ein Browser darüber hinaus zur audiovisuellen Darstellung von HTML-Seiten im World Wide Web (WWW) (siehe Abschnitt 2.5.2) verwendet, so spricht man von einem Webbrowser (z. B. MS Internet Explorer und Netscape Navigator). In einem HTML-Dokument lassen sich neben Texten und Verweisen auf andere Dokumente auch Multimediaobjekte wie Video, Audio und Grafiken einbetten. Der Benutzerzugriff erfolgt durch die Angabe einer URL (Uniform Resource Locator, bspw.: http://www.is-frankfurt.de). Virenscanner bieten die Möglichkeit, den Speicher von Rechnern auf den Befall durch Viren (siehe Abschnitt 2.5.4) zu prüfen und diese gegebenenfalls zu eliminieren. Komprimierungsprogramme dienen dazu, die Größe einer Datei auf ein Minimum zu reduzieren, indem sie etwa eine Sequenz von n zu übertragenden Nullen durch den Ausdruck 0(n) ersetzen. Die Wiederherstellung der originalen Zeichenfolge erfolgt durch die inverse Funktion. Komprimierung ist insbesondere beim Transfer von Daten, z. B. bei der E-Mail-Übertragung, von Bedeutung, um die Übertragungsdauer zwischen Sender und Empfänger zu minimieren. 2.2.2.1.2

Standardbürosoftware

Standardbürosoftware auf Grundlage der Windows-Betriebssysteme trägt zur weiten Verbreitung von Mikrocomputern bei. Hierzu zählen insbesondere: „ „ „ „ „

Textverarbeitung Präsentationsgrafik Tabellenkalkulation Datenbankverwaltung (siehe Abschnitt 3) Editoren für Webseiten

Textverarbeitungsprogramme erleichtern das Schreiben und Formatieren von Texten, z. B. von Briefen, Berichten, Diplomarbeiten etc. Dabei unterstützen fast alle Textverarbeitungsprogramme Funktionen wie etwa Seitennummerierung, Fußnotenverwaltung, Silbentrennung und Rechtschreibprüfung, Serienbrieferstellung, etc. Die meisten Textverarbeitungsprogramme erlauben auch die Integration von Grafiken (etwa MS Word). Programme zur Erstellung von Präsentationen ermöglichen es, virtuelle Folien zu gestalten. Diese können etwa über einen Beamer auf eine Leinwand projiziert werden. Häufig ermöglichen derartige Programme die Umwandlung ziffernorientierter Daten in Grafiken. Beispielsweise können die monatlichen Erlöse und Kosten eines Unternehmens grafisch veranschaulicht werden.

2 Rechner und deren Vernetzung

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Ein Tabellenkalkulationsprogramm stellt Informationen in tabellarischer Form, d. h. zeilen- und spaltenweise orientiert, dar. Zellen (Kreuzung einer Zeile und Spalte) können sowohl Daten als auch Formeln zu deren Berechnung beinhalten. Typische Einsatzgebiete für Tabellenkalkulationsprogramme sind nicht nur Routineberechnungen aller Art, sondern insbesondere auch betriebswirtschaftliche Anwendungen, wie z. B. Budget-, Finanz- oder Personalplanung. Zu fast allen Tabellenkalkulationsprogrammen gehört heute ein Programmteil für die grafische Darstellung der Daten des Arbeitsblattes. Dieses Modul ist in der Lage (ähnlich wie die zuvor diskutierten Grafikprogramme), aus den nummerischen Werten Balkendiagramme, Kreisdiagramme etc. zu erzeugen (bspw. MS Excel). Editoren für Webseiten (auch HTML-Editoren, siehe Abschnitt 2.5.2), wie etwa MS Frontpage oder Macromedia Dreamweaver, sind Programme zur Aufbereitung von Texten und Grafiken, die im WWW veröffentlicht werden sollen. Darüber hinaus sind am Markt integrierte Standardbürosoftwarepakete verfügbar, die Textverarbeitung, Tabellenkalkulation, grafische Bearbeitung und auch eine Datenbank unter einer einheitlichen Benutzungsoberfläche anbieten (z. B. MS Office, Lotus SmartSuite oder OpenOffice).

2.2.2.1.3

Funktionsorientierte Standardsoftware

Als funktionsorientierte Standardsoftware werden Lösungen bezeichnet, die aus betriebswirtschaftlicher Sicht eine Funktion oder funktionsübergreifend mehrere Anwendungsbereiche (z. B. Materialwirtschaft, Vertrieb, Finanzwesen, Controlling, Personalwirtschaft und Produktion) und deren Prozesse unterstützen. In letzterem Fall spricht man von funktionsübergreifender integrierter Standardsoftware, welche sich in Module gliedert, die auf eine gemeinsame Datenbasis zugreifen [Keller 99]. Dieser Aufbau bietet aus Sicht des Anwenders den Vorteil, dass er Software nur für die von ihm benötigten Problemstellungen betreiben muss. Er kann also bspw. Module für die Durchlaufterminierung und den Kapazitätsausgleich im Rahmen der Produktionsplanung und -steuerung erwerben, ohne die Werkstattsteuerung anschaffen zu müssen (siehe Abschnitt 4.1.6.7). Der modulare Aufbau ermöglicht zudem eine schrittweise Einführung neuer Systeme und somit ein langsames Ablösen von Altsystemen. Die Anpassung einer solchen Standardsoftware an spezifische Einsatzbedürfnisse in Unternehmen erfolgt durch das Einstellen von Parametern, ohne dass eine Veränderung des Quellprogramms stattfinden muss. Darüber hinaus werden auch Schnittstellen für individuelle Erweiterungen angeboten.

32

2.2 Software

Die einzelnen Ausprägungen funktionsorientierter und funktionsübergreifender Software, wie bspw. ERP-Systeme (Enterprise-Resource-PlanningSysteme), sind in Kapitel 4 beschrieben. 2.2.2.1.4

Prozessorientierte Software

Die Grenze zwischen prozessorientierter und funktionsübergreifender Software ist fließend. In erstgenannten Systemen sind Prozesse quer durch unterschiedliche Funktionsbereiche eines Unternehmens zu integrieren. Die Realisierung erfolgt häufig unter Verwendung von zentralen Datenbanken. So genannte Workflow-Management-Systeme (WMS) unterstützen durch verschiedene Funktionalitäten die Beschreibung und Modellierung von Geschäftsprozessen, z. B. Vorgänge zur Erstellung und Abgabe eines Angebots in der chemischen Industrie. Die Vorgangsabwicklung erfolgt dann durch teilweise sequenzielle, teilweise parallele Ausführung der modellierten Schritte. Nachdem der Prozess im WMS implementiert wurde, erfolgt seine (teil-)automatische Ausführung. Zunächst wird bei Eintreten eines Ereignisses der richtige Prozesstyp ausgewählt und gestartet. Das WMS zerlegt ihn sinnvoll in die eigentlichen Teilfunktionen und ermöglicht zu jedem Zeitpunkt das Einholen von Informationen über den Stand der Prozessbearbeitung. Am Ende schließt das WMS den Prozess ab und führt die Ergebnisse zusammen. Eine weitere Klasse von Systemen zur Unterstützung verteilten Arbeitens sind Workgroup-Support-Systeme. Diese unterstützen im Gegensatz zu den WMS die Teamarbeiten bei der Bearbeitung einer relativ unstrukturierten Aufgabe. Die Kooperation basiert auf Netzwerkarchitekturen mit zugehörigen Kommunikationssystemen, wie: „ Konferenzplanungssystemen: Terminvereinbarung, Ressourcenverwaltung (Besprechungsräume, Präsentationsgeräte), „ Computerkonferenzsystemen: Diskussionen zwischen räumlich getrennten Personen (bspw. Videokonferenzsystem), „ Gruppenentscheidungsunterstützungssystemen und „ Mehrautorensystemen (Co-Authoring): Werkzeuge zur gemeinsamen Bearbeitung von Dokumenten (Texten, Plänen, Konstruktionszeichnungen, Grafiken). Mehrere Teammitglieder können gleichzeitig an unterschiedlichen Stellen des Dokuments arbeiten. 2.2.2.2

Individualsoftware

Unter Individualsoftware versteht man AS, die für eine spezielle betriebliche Anforderung mit der zugehörigen Hard- und Softwareumgebung individuell angefertigt wurden. Die Individualsoftware wird entweder selbst entwickelt oder fremdbezogen (zu Kriterien für diese Entscheidung siehe Abschnitt 6.2.1). Die Eigenentwicklung kann sowohl von der IV-Abteilung als auch

2 Rechner und deren Vernetzung

33

von den entsprechenden Fachabteilungen, dort i. d. R. mit deklarativen Sprachen (siehe Abschnitt 2.2.1.2), durchgeführt werden. Aufgabe ist hier, die Entwicklung von Anwendungssoftware als Einzelfertigung technisch und finanziell zu beherrschen (siehe Abschnitt 5.2). Wegen der hohen Entwicklungskosten von Individualsoftware ist ein zunehmender Trend hin zu Standardsoftware zu beobachten. Demgegenüber wird der Einsatz von Individualsoftware u. a. durch ein unzureichendes Funktionsspektrum der Standardsoftwarelösungen für bestimmte Problemstellungen (z. B. zur Steuerung von Aluminiumwalzwerken) begründet. 2.2.2.3

Komponentenarchitekturen und Webservices

Die zunehmende Modularisierung von Anwendungssystemen, die aus Gründen der erhöhten Wiederverwendbarkeit und leichten Veränderbarkeit der Bausteine verfolgt wird, lässt die Grenze zwischen Individual- und Standardsoftware schwinden. Komponentenbasierte Anwendungssysteme werden aus einzelnen Bausteinen individuell zusammengestellt. Eine Softwarekomponente ist ein Codebaustein mit Schnittstellen, Attributen (Eigenschaften) und Verhalten (Funktionalitäten). So können die Komponenten zwar als Standardsoftware bezeichnet werden, da sie jedoch erst in einer spezifischen Zusammenstellung die gewünschte Funktion erfüllen, ist das resultierende AS keine Standardsoftware im eigentlichen Sinne mehr. Die Integration der Komponenten zu AS erfolgt in sog. Komponentenarchitekturen (auch: Komponentenframeworks). Diese spezifizieren einerseits, wie Schnittstellen der Komponenten aufgebaut sein müssen. Andererseits bieten sie eine Plattform als Laufzeitumgebung (Funktionalität zur Ausführung von Maschinencode), die den Betrieb des AS – also das konsistente Zusammenspiel der Komponenten – steuert und verwaltet sowie u. a. Sicherheitsmechanismen, Datenbankverbindungen, Benutzungsschnittstellen und die Speicherverwaltung bereitstellt. Aus Sicht eines Entwicklers besteht die Aufgabe darin, die Anwendungslogik (auch: Geschäftslogik oder Prozesslogik) in Form spezifischer Kombinationen vorgefertigter Bausteine zu programmieren (oder fremd zu beziehen, siehe Abschnitt 6.2). Es ist nicht erforderlich, die Komponenten auf dem gleichen Rechner zu betreiben. PRAKTISCHES BEISPIEL Bei Internetshops wird häufig der Shopping-Cart als Softwarekomponente realisiert. Diese speichert die ausgewählten Produkte sowie eine Zuordnungsnummer, um den Kunden zu identifizieren und bietet Funktionalitäten zur Ermittlung des Gesamtrechnungsbetrages.

Zwei weit verbreitete Architekturen bzw. Plattformen zur Entwicklung komponentenbasierter AS sind die Java 2 Enterprise Edition (J2EE) von Sun Microsystems und das .NET-Framework von Microsoft.

34

2.3 Rechnerklassen

J2EE bietet ein Komponentenmodell auf Basis der Programmiersprache Java (siehe Abschnitt 2.2.1.2) an: Die Anwendungslogik wird in sog. Enterprise Java Beans (EJB) gekapselt. Als Laufzeitumgebung bietet J2EE einen Container, der die Komponenten verwaltet und z. B. die Kommunikation mit Benutzungsschnittstellen ermöglicht. Das .NET-Framework stellt ein J2EE vergleichbares Konzept dar, lässt jedoch die Entwicklung in zahlreichen Programmiersprachen zu. Dafür ist dieses Framework jedoch nicht plattformneutral wie Java (siehe Abschnitt 2.2.1.2), sondern lässt sich nur im Umfeld von Microsoft-Betriebssystemen anwenden. Mit Webservices wird das Konzept der komponentenbasierten Softwareerstellung weiterentwickelt hin zu weltweit verteilten und völlig voneinander losgelösten Anwendungen bzw. Anwendungsmodulen. Zur Ausführung eines Geschäftsprozesses etwa schließt man Webservices als Komponenten zusammen, welche über standardisierte Internetprotokolle (siehe Abschnitt 2.5.1) miteinander kommunizieren. PRAKTISCHES BEISPIEL Zur Darstellung von personalisierten Börseninformationen in einem Internetportal benötigt der Server die aktuellen Kursdaten. Bevor er diese zusammenstellt, fragt er unterschiedliche Webservices nach Wertpapierkursen und Indexverläufen, die in Kombination zur personalisierten Börseninformation beitragen.

Webservices sind nicht zwangsläufig neue Anwendungen, sondern stellen nur die Technologie dar, mit der bestehende AS an das Internet angebunden werden können. Haben zwei AS eine Webservice-Schnittstelle, so können sie über Internetprotokolle miteinander kommunizieren. Webservices werden demnach als Integrationstechnologien verstanden. Es können so Geschäftsprozesse abgewickelt werden, die durch mehrere AS ausgeführt werden, z. B. die Buchung einer Reise, die individuell aus Flug, Hotel und Mietwagen in den AS unterschiedlicher Anbieter zusammengesetzt wird. Dabei ist vernachlässigbar, wie die einzelnen Webservices technisch realisiert wurden. So ist es bspw. möglich, dass J2EE- und .NET-Komponenten über Webservices interagieren.

2.3

Rechnerklassen

Für die Gestaltung der betrieblichen Rechner- und Netzinfrastruktur sind neben dem Mikrocomputer (PC) insbesondere die folgenden Rechnerklassen relevant: „ „ „ „

Großrechner (auch häufig Mainframes oder Hosts genannt) Workstations Netzwerkcomputer (NC) und Thin Clients Mobile Clients

2 Rechner und deren Vernetzung

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„ Embedded Systems Darüber hinaus existieren sog. Superrechner mit einer speziellen Rechnerarchitektur, die i. d. R. für technisch-mathematische Problemstellungen eingesetzt werden (z. B. Wetterprognose, Luftraumüberwachung). Im Gegensatz zu Großrechnern stellen Superrechner ihre gesamte Leistungsfähigkeit lediglich einigen wenigen Programmen zur Verfügung. Steuerungsrechner, die bei der Prozesslenkung zum Einsatz kommen, sind Einfunktionsautomaten, die etwa für den Betrieb in einer Werkshalle robust gebaut sind und neben der Steuerung einer Maschine (z. B. eines Bearbeitungszentrums im Automobilbau oder eines Reaktors in der Chemie) und der zugehörigen Transporteinrichtungen auch Daten über Netze senden und empfangen können (siehe Abschnitt 4.1.6) [Scheer 94].

2.3.1 Großrechner Der Großrechner (Host oder auch Mainframe) bietet eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit im Multiusing-Betrieb an. Er befindet sich normalerweise in einem klimatisierten und gegen Fremdeinwirkung abgeschotteten Rechenzentrum mit Sicherheitsvorkehrungen (z. B. im Falle eines Brandes) und wird von speziell ausgebildeten Mitarbeitern (Operatoren) bedient. Großrechner verfügen i. d. R. über umfangreiche externe Speicherkapazitäten. Um die erheblichen Verwaltungsarbeiten (z. B. die Kontrolle der Belegung des Zentralrechners selbst) nicht dem Host aufzubürden, da hierfür den Anwendungen wertvolle Rechnerleistung entzogen würde, arbeitet man mit leistungsstarken Steuereinheiten oder Vorrechnern. Darüber hinaus werden in größeren Unternehmen oft mehrere Hosts in einem Netz verbunden, z. B. um hohe Leistungsbedarfe der Anwender befriedigen zu können oder eine gewisse Sicherung gegenüber Systemausfällen zu erhalten (siehe Abschnitt 2.4.2). Neuinstallationen von Großrechnersystemen werden zunehmend zu Gunsten von PC-Netzen in Clustern verworfen, wenn diese entsprechende Leistungen zu erbringen versprechen. Mainframes sind im Vergleich zum PC meist wenig benutzungsfreundlich. Der Host als unmittelbarer Partner im Mensch-Maschine-Dialog hat deshalb kaum Bedeutung. Darüber hinaus ist es zumeist kostengünstiger, geeignete Anwendungen von Hosts herunterzunehmen und auf „kleineren“ Systemen zu implementieren (Downsizing). Ein Beispiel ist die Ablösung des für Großrechner konzipierten SAP R/2-Systems durch das auf Unix sowie Windows 2000/XP ausgerichtete SAP R/3-System. Jedoch wird der Host in der betrieblichen IV noch als „Koordinationsinstanz“ in Netzen und als Ort, an dem Zentraldaten gespeichert werden, verwendet.

2.3.2 Workstations Workstations sind prinzipiell als selbstständige Arbeitsplatzrechner konzipiert, deren Leistungsfähigkeit zunächst unterhalb von Großrechnern einzu-

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2.3 Rechnerklassen

ordnen ist. Sie zielen insbesondere auf die Bearbeitung rechenintensiver Aufgaben im technisch-wissenschaftlichen Bereich (bspw. computergestützter Konstruktionen) ab (siehe Abschnitt 4.1.2.1). Diese Anwendungen sind für den Großrechnerbetrieb weniger geeignet, da sie eine hohe dauerhafte Rechenleistung benötigen, die bei von vielen Anwendern parallel genutzten Hosts nicht permanent zur Verfügung steht. Die Leistung von Workstations kann durch die Verwendung von mehreren Prozessoren oder im Verbund in sog. Workstation-Farmen zur Lastverteilung auf momentan freie Kapazitäten erhöht werden (siehe Abschnitte 2.4 und 2.5.5). Eine Workstation ist in ihren äußeren Abmessungen kaum größer als das bekannte PC-Gehäuse. Workstations werden i. d. R. mit den Betriebssystemen Unix, Windows 2000/XP oder Linux ausgestattet und typischerweise zu einem Local-Area-Network (LAN) (siehe Abschnitt 2.4.3.1) vernetzt. Alternativ setzt man leistungsfähige Workstations auch als Abteilungsrechner (also als „kleine“ Zentralrechner auf Abteilungsebene bzw. für mittelständische Unternehmen) ein. Workstations können i. Allg. in „normalen“ Büroräumen betrieben werden und mehrere Terminals oder PCs bedienen. Vielfach werden in speziellen Räumen, die dann notwendige Sicherungs- und Klimatisierungseigenschaften aufweisen, mehrere Workstations installiert.

2.3.3 Netzwerkcomputer und Thin Clients Als eine weitere Rechnerklasse werden häufig Netzwerkcomputer (NC) und Thin Clients diskutiert. Dies sind preisgünstige Rechner mit einer geringeren Leistungsfähigkeit, die speziell für den (Client-)Betrieb in Netzen (siehe Abschnitt 2.4.2) konzipiert sind. NC bzw. Thin Client nutzen über das Netz AS, die auf einem entfernten Server ablaufen. Im Idealfall kommt ein solches System ohne Festplatten aus. Durch die zentrale Administration (z. B. in einem Rechenzentrum) werden zudem die Kosten für die Pflege der Systeme reduziert.

2.3.4 Mobile Clients und Embedded Systems Mobile Endgeräte werden in einer großen Vielfalt und unterschiedlichen Formen angeboten, entsprechen jedoch in ihrer Funktion den beiden nachfolgenden Beispielen: Personal Digital Assistants (PDAs) sind meist etwa handflächengroße Geräte mit multiplen Fähigkeiten (bspw. PalmPilots), die mit der Leistungsfähigkeit eines Notebooks annähernd vergleichbar sind. Am populärsten sind Geräte, die für die PIM-Dienste (siehe Abschnitt 2.2.2.1.1) entwickelt wurden. Die Dateneingabe erfolgt meist mithilfe eines speziellen Stiftes, unterstützt durch eine Handschrifterkennungsfunktion. Bei vielen Geräten kann zudem eine spezielle Tastatur angeschlossen werden. Ein Großteil kann über Kabel, Funk oder Infrarot (siehe Abschnitt 2.4.1) mit einem Netzwerk ver-

2 Rechner und deren Vernetzung

37

bunden werden und verfügt über einen Browser zur Darstellung von Internetseiten. Smartphones sind hybride Geräte, die PDA-Funktionalitäten in ein Mobiltelefon integrieren. Im Unterschied zu PDAs steht bei der Konzeption von Smartphones die daten- oder sprachorientierte Kommunikation im Vordergrund. Embedded Systems sind spezialisierte Computer, welche Teil eines größeren Systems oder eines Gerätes darstellen und gewisse Aktivitäten in ihrer Umgebung steuern. Charakteristisch für diese Systeme ist, dass sie nicht in erster Linie als Computer wahrgenommen werden. Sie sind i. d. R. derart spezialisiert, dass sie kein Betriebssystem benötigen, sondern nur Anwendungen zur Erfüllung ihrer Funktion beinhalten. Eine Vielzahl von Geräten für den alltäglichen Gebrauch ist bereits mit solchen Systemen ausgestattet. Beispiele für Embedded Systems sind Antiblockiersysteme (ABS) für Kraftfahrzeuge oder die Auftaufunktionalität von Mikrowellengeräten. In Verbindung mit mobilen Endgeräten können Embedded Systems autonom, d. h. ohne Interaktion mit einem menschlichen Benutzer, arbeiten. Hierzu zählen bspw. Transponder, die Funksignale empfangen und auf diese antworten. Einsatzmöglichkeiten sind Navigations-, Identifikations-, Ortungssowie Informationsabrufsysteme. Anbieter von verderblichen Waren oder Chemikalien können so in Verbindung mit Messfühlern prüfen, ob die Spedition während des Transports durchweg für eine ausreichende Temperierung sorgt.

2.4

Rechnernetze und Netzarchitekturen

Stand bisher ein Rechner im Mittelpunkt der Ausführungen, so wird im Folgenden die Integration von Rechnern in geschlossenen Netzen, also solchen, deren Komponenten sich in der Durchsetzungsgewalt des Betreibers befinden, behandelt. Netze stellen die Grundvoraussetzung dezentraler Anwendungskonzepte dar. Mit dem Einsatz von Rechnernetzen werden verschiedene Ziele verfolgt: „ „ „ „ „

Lastverbund/Leistungsverbund Datenverbund Programmverbund Kommunikationsverbund Geräteverbund/Sicherheitsverbund

Ein Lastverbund führt zu einer besseren Ausnutzung der Kapazitäten von Computern im Netz. Das bedeutet, dass der am wenigsten ausgelastete Rechner eine neue Aufgabe durchführt. Darüber hinaus zielt ein Leistungsverbund

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2.4 Rechnernetze und Netzarchitekturen

darauf ab, eine umfangreiche Aufgabe, die durch einen einzelnen Rechner nicht mehr effizient bearbeitet werden kann, zu parallelisieren und im Netz von mehreren Maschinen gleichzeitig bearbeiten zu lassen. Ein Datenverbund erlaubt den parallelen Zugriff auf im Netz verfügbare Daten durch mehrere Rechner bzw. Anwender. Der Programmverbund gestattet die gemeinsame Nutzung eines Programms durch alle im Netz eingebundenen Rechner. Damit geht der Vorteil einher, dass eine mehrfache Beschaffung und Pflege der zu nutzenden Software vermieden wird. Das Programm muss jedoch, von Ausnahmen abgesehen, netzfähig sein. Außerdem werden Netzlizenzen benötigt, welche gängigerweise den parallelen Aufruf eines bestimmten Programms auf eine bestimmte Zahl von Anwendern einschränken. Ein Kommunikationsverbund ermöglicht die Kommunikation der Rechner im Netzwerk. Beispielsweise übermitteln sich die Benutzer der verschiedenen Rechner Nachrichten, die in einem elektronischen Briefkasten gespeichert werden. Durch einen Geräteverbund können alle Rechner auf im Netz enthaltene Ressourcen zugreifen. Unter Kostengesichtspunkten ist insbesondere die gemeinsame Nutzung teurer oder selten genutzter peripherer Geräte, z. B. Farblaserdrucker in einem PC-Netz, bedeutungsvoll. Ein Sicherheitsverbund zielt bspw. darauf ab, auf kritische Daten über mehrere Wege zuzugreifen (parallele Speicherung von gleichen Daten auf zwei verschiedenen Rechnern), um bei technischen Problemen auf den jeweils anderen Zugriffspfad umschalten zu können. Man vernetzt Rechner, um mehrere Entscheidungsträger (Menschen oder Maschinen) in gemeinsame verteilte Dispositions- oder Planungsprozesse einzubinden. Beispiele sind verschiedene Formen der zwischenbetrieblichen Integration (z. B. elektronischer Datenaustausch im Rahmen des SupplyChain-Managements (SCM) in Abschnitt 4.4.3) oder der Zugriff auf externe Datenbanken (z. B. bei der Patentrecherche).

2.4.1 Komponenten von Rechnernetzen Werden an sich unabhängig arbeitsfähige Rechner über Kommunikationspfade miteinander verbunden, um Informationen austauschen zu können, so entsteht ein Rechnernetz. Netze können mit anderen Netzen verbunden sein und verschiedene Subnetze umfassen. Die wichtigsten Komponenten eines Rechnernetzes sind: „ die Rechner selbst, einschließlich der physischen Netzwerkanbindung (Netzwerkkarte oder Modem) sowie der jeweiligen Betriebs-, Netz- und Anwendungssoftware „ die Verbindungs- und Kommunikationskomponenten in und zwischen Netzen (Hubs, Router, Switches, Bridges)

2 Rechner und deren Vernetzung

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„ die Datenübertragungswege „ die Protokolle Rechner müssen, damit sie Informationen austauschen können, entweder über ein netzwerkfähiges Betriebssystem, wie z. B. Unix, Windows 2000/XP, oder über spezielle Netzwerksoftware, wie z. B. NetWare von Novell, verfügen. Verbindungs- und Kommunikationskomponenten bezeichnen spezielle Geräte, deren Aufgabe in der Einbindung von Rechnern in Netze, der Verknüpfung von Netzen sowie hierauf aufbauend der intelligenten Weiterleitung von Datenpaketen liegt. Man bezeichnet sie häufig als Vermittlungsstelle oder Vermittlungsknoten. Hubs und Switches sind die zentralen Punkte in einem lokalen Netzwerk (siehe Abschnitt 2.4.3.1), die Rechner miteinander verbinden. Die Verbindung erfolgt über eine Reihe von Anschlüssen, sog. Ports. Die in einen Port eingehenden Datenpakete werden innerhalb des Hub kopiert und anschließend an alle weiteren Ports und damit Rechner übertragen. Bridges (Brücke) können zwei LANs miteinander verbinden. Brücken leiten Datenpakete i. d. R. ohne Analyse der jeweiligen Inhalte und Begrenzung an ein Empfängernetz weiter. Router können unterschiedliche Netztypen miteinander verbinden; bspw. kann ein LAN an das Internet angeschlossen werden. Sie sind in der Lage, in einer komplexen Vernetzung auf Fehlerfälle und bestimmte Lastzustände in einem der beteiligten Netzwerke flexibel zu reagieren und, soweit entsprechende Ressourcen verfügbar sind, alternative „Verkehrswege“ für die Informationen zu identifizieren. Auf Basis einer Kommunikation mit anderen Routern wird durch Optimierungsalgorithmen für die verschiedenen Datenpakete der jeweils beste Weg ermittelt. Daten werden auf Datenübertragungswegen (Leitungen oder Funkstrecken) übermittelt, welche die Rechner miteinander verbinden. Die gängigsten Übertragungskanäle sind: „ „ „ „ „

verdrillte Kupferkabel Koaxialkabel Glasfaserkabel Radiowellen (Mobilfunk, Wireless LAN (WLAN) und Bluetooth) Infrarot- und Laserwellen (optischer Richtfunk)

Verdrillte Kupferkabel sind ein weit verbreitetes Übertragungsmedium. Dem Vorteil der einfachen Verlegbarkeit stehen als Nachteile die Empfindlichkeit gegenüber elektrischen Störungen und die mangelhafte Abhörsicherheit entgegen. Verdrillte Kupferkabel gelten als das kostengünstigste Übertragungsmedium.

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2.4 Rechnernetze und Netzarchitekturen

Koaxialkabel werden u. a. für den Antennenanschluss von Fernsehgeräten verwendet. Sie sind abgeschirmt und damit weniger störempfindlich sowie leistungsstärker als verdrillte Kupferkabel. Allerdings ist das Material teurer und die Verlegung schwieriger. Glasfaserkabel (Lichtwellenleiterkabel) erlauben sehr hohe Übertragungskapazitäten. Sie sind zudem wenig anfällig bezüglich Störungen, abhörsicher und, bezogen auf die Leistungsfähigkeit, relativ kostengünstig. Zur drahtlosen Kommunikation lassen sich Radiowellen, etwa mittels Frequenzen des Mobilfunks, des WLAN oder des Bluetooth, einsetzen. Zur Kommunikation zwischen Computern, PDAs, Mobiltelefonen, Druckern, Scannern, digitalen Kameras etc. eignet sich WLAN, um diese räumlich beschränkt mit bis zu 54 MB/s in Netze einzubinden. WLAN erlaubt damit eine schnellere Datenübertragung über weitere Strecken hinweg als Bluetooth. Im Nahbereich dient Bluetooth als offener Technologiestandard. Er ermöglicht die Übertragung von Daten mit bis zu 1 MB/s im 2,4-GHz-Frequenzbereich. Eine Infrarotschnittstelle stellt ebenfalls eine kabellose Verbindung über kurze Distanzen her. Über sie können z. B. Daten zwischen PCs, PDAs, Drucker oder einer digitalen Kamera ausgetauscht werden. Die Geräte müssen jedoch untereinander Sichtkontakt haben. Dies gilt ebenso für optische Richtfunksysteme, die Infrarot- oder Laserwellen verwenden und Entfernungen von bis zu fünf Kilometern überbrücken können. Protokolle definieren sämtliche Vereinbarungen und Verfahren, die zur Kommunikation zwischen Rechnern beachtet werden müssen. Die in der Praxis am weitesten verbreiteten Protokolle sind: „ TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) für bspw. das Internet (siehe Abschnitt 2.5.1) „ NetBEUI (NetBios Enhanced User Interface) für Windows-basierte Netze

2.4.2 Client-Server-Konzept als Kooperationsmodell Die Kommunikation zwischen Rechnern setzt die Existenz eines geeigneten Kooperationsmodells voraus, das im Hinblick auf die Partner eine eindeutige Rollenverteilung festlegt und die gemeinsamen Protokolle spezifiziert. Im Client-Server-Konzept versuchen auf der Benutzerseite sog. Clients, von einem bestimmten Rechner im Netz (Server) angebotene Dienste (z. B. Daten und Transaktionen eines AS) in Anspruch zu nehmen. Aufgabe des Clients ist die Präsentation der entsprechenden Daten und die Interaktion mit dem Benutzer. Der Server, z. B. ein Datenbankserver, wartet so lange, bis ihn die Anforderung des Clients erreicht. Als Server werden ein oder mehrere Rechner im Netz eingerichtet. Dieses Kooperationsmodell lässt sich auch mehrstufig umsetzen, so können etwa Datenbank- und Applikationsserver auf unterschiedlichen Rechnern implementiert werden, um die Arbeitslast zu verteilen. Die Clients nehmen einen Dienst des Applikationsservers in Anspruch, der

2 Rechner und deren Vernetzung

41

wiederum die benötigten Daten von einem Datenbankserver erfragt. Alle wichtigen Dienste im Internet (siehe Abschnitt 2.5.2) basieren auf dem Client-Server-Konzept. In großen Netzwerken dienen verschiedene Rechner häufig als Clients und Server zugleich, was als Peer-to-Peer-Kommunikation (Kommunikation unter Gleichgestellten) bezeichnet wird.

2.4.3 Netzklassen 2.4.3.1

Lokale Netze

Befinden sich die miteinander vernetzten Rechner in einem Büro, einem Haus oder einem Betriebsgelände, so spricht man von einem lokalen Netz (Local-Area-Network, LAN). Dieses wird häufig von unternehmenseigenen Netzabteilungen betrieben. Technisch gesehen darf (ohne aufwändige Zwischenelemente) der maximale Abstand zweier Rechner nicht mehr als einige hundert Meter betragen. In nicht kabelgebundenen LANs (Wireless LocalArea-Network, WLAN) können mobile Endgeräte wie Notebooks mittels Funktechnik über stationär installierte sog. Access-Points in einem Netz kommunizieren. Sie sind in der Regel an ein (kabelgebundenes) LAN angeschlossen. 2.4.3.2

Weitverkehrsnetze

Geografisch weit auseinander liegende lokale Rechner oder Rechnernetze können über Weitverkehrsnetze (Wide-Area-Network, WAN) miteinander verbunden werden. Wir unterscheiden zwischen geschlossenen WANs mit Zugangssicherungsverfahren (siehe Abschnitt 2.5.4) für spezielle Benutzergruppen und öffentlichen WANs, also dem Internet (siehe Abschnitt 2.5). Als technische Infrastruktur nutzt man Kabel- und Funkverbindungen, die innerhalb verschiedener (Netz-)Dienste Anwendung finden: „ „ „ „ „

Analoges Telefonnetz Integrated Services Digital Network (ISDN) Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) Mobilfunknetz Hochleistungsnetz (Backbone)

Beim analogen Telefonnetz handelt es sich um ein Einwahlnetz mit Weitervermittlungsstellen zur weltweiten Kommunikation. Nachteilig für den Datenversand sind die verhältnismäßig hohe Fehlerquote durch Störgeräusche sowie die relativ langsame Übertragungsgeschwindigkeit. Ein Mikrocomputer kann mithilfe eines Modems an das Telefonnetz angeschlossen werden. Das Modem hat die Aufgabe, die zu übertragenden Daten in analoge und damit über das Netz transportierbare Signale umzuwandeln. Die Kosten für die Inanspruchnahme des Telefonnetzes sind variabel (abgesehen von der

42

2.4 Rechnernetze und Netzarchitekturen

fixen Grundgebühr) und abhängig von Dauer, Zeitpunkt und Entfernung, die für die Datenübertragung zurückgelegt werden muss. Integrated Services Digital Network (ISDN) ist ein digital arbeitender Telekommunikationsdienst auf Basis des herkömmlichen Telefonnetzes zur Übertragung digitalisierter Sprache und Daten in Bitform mit bis zu 64 Kbit/s (bei Kanalbündelung bis zu 128 Kbit/s). Durch die gleichzeitige Nutzung verschiedener Kanäle können Telefongespräche, Telefax und Datenübertragung parallel abgewickelt werden. ISDN bietet neben Durchsatzvorteilen eine sicherere Übertragung von Informationen über lange Distanzen. Die breitbandige Datenübertragungsbasis für ISDN ist der Asynchrone Transfermodus (ATM) mit Anschlussbandbreiten von 34 Mbit/s und 155 Mbit/s. Bei Verwendung von ATM werden Datenströme in Pakete konstanter Größe zerlegt (siehe Abschnitt 2.5.1). Deren Übermittlung erfolgt, indem jeder Teilstrecke zwischen zwei Vermittlungsknoten ein verbindungsspezifischer logischer Kanal zugeordnet und für dessen Existenzdauer eine feste physikalische Route reserviert wird. Mit Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) wird ein Verfahren der hochratigen Datenübertragung bezeichnet, das im Vergleich zu ISDN maximal die 64fache Übertragungsrate zwischen Vermittlungsstelle und Teilnehmerendeinrichtung (z. B. PC, Workstation) ohne Änderung der Kabelinfrastruktur zur Verfügung stellt. ADSL weist eine hohe Datenrate zum Teilnehmer und eine niedrigere Datenrate in die Gegenrichtung auf. Die Datenübertragung erfolgt in einem Frequenzband oberhalb des Sprachkanals, sodass der Telefon-/ISDN-Betrieb nicht beeinträchtigt wird. Die Nutzung von Mobilfunknetzen wie den D- und E-Netzen basiert auf eigens dafür entwickelten Systemen. Das weltweit erfolgreichste Mobilfunksystem ist das Global System for Mobile Communications (GSM). Die (mobilen) Funknetze der ersten und zweiten Generation bauen auf den Architekturen traditioneller Telefonnetze auf und sind daher vor allem für den leitungsvermittelten Sprachdienst konzipiert. Für den Datenverkehr stellt GSM bspw. lediglich eine Bandbreite von 9,6 Kbit/s (ca. 9600 Bit pro Sekunde) zur Verfügung. Durch den enormen Erfolg des Internets erhöhte sich auch die Nachfrage nach paketvermittelnden Technologien im Mobilfunk. General Packet Radio Service (GPRS) stellt einen Zwischenschritt hin zu einer flexiblen und leistungsfähigen Datenübertragung in Mobilfunknetzen dar. Durch die Bündelung mehrerer Übertragungskanäle erlaubt die GPRSTechnologie in einem GSM-Netz eine Übertragungsrate von bis zu 115,2 Kbit/s. Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) ist die Technologie der dritten Generation, die mobilen Endgeräten durch eine neue Übertragungsform, dem Code-Division-Multiple-Access-Verfahren (CDMA(), breitbandige Datenübertragung von bis zu 2 Mbit/s ermöglichen soll. So können auch multimediale Inhalte, wie Videoclips etc., übertragen werden.

2 Rechner und deren Vernetzung

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Als Hochleistungsnetz oder Backbone werden zentrale Übertragungsstrecken bezeichnet, die Daten aus unterschiedlichen Subnetzen bündeln und weiterleiten. Sie verfügen über hohe Übertragungskapazitäten und garantieren den reibungslosen nationalen bis transkontinentalen Datenverkehr. PRAKTISCHES BEISPIEL Das Deutsche Forschungsnetz (DFN) ist das Hochleistungsnetz für Hochschulen und Forschungseinrichtungen in Deutschland. Der nationale Backbone des DFN ist das Gigabit-Wissenschaftsnetz G-WiN. Über den europäischen Backbone GÉANT ist das G-WiN an den weltweiten Verbund der Forschungs- und Wissenschaftsnetze angeschlossen.

2.5

Weltweite Vernetzung: Das Internet

Das Internet bezeichnet den Zusammenschluss tausender lokaler Netzwerke, bestehend aus Millionen Rechnern (vgl. Abbildung 2.5/1), die Informationen über die Protokollfamilie TCP/IP (siehe Abschnitt 2.5.1) austauschen. Darüber hinaus bietet es eine Reihe von Diensten und Techniken, die nicht nur seine Funktionalität sichern, sondern auch vielfältige Impulse für private Netzbetreiber geben.

LAN

WAN

WAN

LAN LAN

Abb. 2.5/1 Architektur des Internets

Die Entwicklung des Internets kennzeichnet das Bestreben, durch Verbindung von Netzen den jederzeitigen Zugriff auf weltweit verfügbare Informationsressourcen preiswert zu eröffnen, um Kooperationsvorteile zu ermöglichen. Idealziel ist, dass sämtliche LAN- und WAN-Betreiber Teile der Infrastruktur ihrer geschlossenen Netze im Internet verfügbar machen und damit zum Betrieb dieses vermaschten, dezentral organisierten und daher weit gehend ausfallsicheren öffentlichen Netzes beitragen. Die entsprechende grundlegende Motivation im Bereich lokaler Netze fußt auf der Erwartung, dass die eigenen „Kunden“ einen Nutzen aus den weltweiten Informationsangeboten ziehen, sodass sich die Kosten für die

44

2.5 Weltweite Vernetzung: Das Internet

Bereitstellung der eigenen Infrastruktur rechtfertigen lassen. Im Weitverkehrsbereich kalkulieren Betreiber auf Basis zweier Argumente: Zum einen tragen Internetdienste zu einer Verstetigung der Netzauslastung bei, sodass etwa Leitungsinfrastrukturen besser ausgelastet werden können. Zum anderen versprechen sich Betreiber (Provider) eine schnelle Ausweitung ihres Geschäfts, verbunden mit einer ebenso raschen Steigerung des Absatzes von Mehrwertdiensten. Das Internet stützt sich im Weitverkehrsbereich auf Netze, die i. d. R. von Telekommunikationsdienstleistungsunternehmen bereitgestellt werden. Daher kommt der Kapazität dieser Netzwerke eine hohe Bedeutung zu. Mit dem Internet2 (siehe http://www.internet2.edu), einem Vorhaben von mehr als 160 nordamerikanischen Universitäten, sowie dem von der US-Regierung ins Leben gerufenen Next Generation Internet (NGI, siehe http://www.ngi.gov) werden derzeit Initiativen diskutiert, die an Weiterentwicklungen im Hinblick auf eine Verminderung von Kapazitätsengpässen und eine Verbesserung der Dienste arbeiten. Dies soll künftig eine neue Generation verteilter Anwendungen, z. B. Telemedizin, digitale Bibliotheken oder virtuelle Laboratorien, ermöglichen, die durch den Austausch umfangreicher multimedialer Daten gekennzeichnet sind. Des Weiteren wachsen die TV-Technik und das Internet zusammen.

2.5.1 Protokollfamilie TCP/IP Die Protokollfamilie TCP/IP setzt sich aus zwei Teilen, dem Transmission Control Protocol (TCP) und dem Internet Protocol (IP), zusammen. Das TCP zerlegt Nachrichten, z. B. eine E-Mail, in verschiedene Datenpakete und versieht jedes Datenpaket mit der IP-Adresse des Senders und Empfängers. IP-Adressen sind IPv4 genannte Zifferncodes, die zur Identifikation von Informationsstandorten dienen. Sie haben eine Länge von 32 Bit (4 Byte) und werden in Form von vier durch Punkte getrennten Dezimalzahlen angegeben. Jede einzelne kann ganzzahlige Werte aus dem Intervall von 0 bis 255 annehmen. Für Menschen ist es i. Allg. leichter, mit Namen an Stelle von Zahlenkolonnen umzugehen. Aus diesem Grund existiert eine logische Namensstruktur, die jedem Rechner eine hierarchisch strukturierte Bezeichnung zuordnet. Der sog. Domain-Name-Service (DNS) übersetzt diesen Namen in die zugehörige IP-Adresse (z. B. www.wiwi.uni-frankfurt.de in 141.2.67.251). Abbildung 2.5.1/1 verdeutlicht die Datenübertragung im Internet. Die Pakete werden an einen Router geschickt (z. B. denjenigen des Internetproviders), dessen Aufgabe in der IP-gesteuerten Weiterleitung der Informationen liegt. Innerhalb des Routernetzwerks versuchen z. B. Telefongesellschaften, momentane Belastungstäler in der verfügbaren Streckeninfrastruktur aufzufüllen, indem ein Paket über den am wenigsten ausgelasteten Weg in Richtung Ziel geleitet wird. Dies ist auch ein Grund für die geringen Übertragungskosten im Internet. Diesem Vorteil steht gegenüber, dass das Internet

2 Rechner und deren Vernetzung

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einer Anwendung keine festen Verbindungswege vorschreibt. Jedes Datenpaket einer Nachricht kann einen anderen Weg im Internet nehmen (man spricht von einem Packet-Switching-Network). Am Ziel wird deren Anordnung in die ursprüngliche Reihenfolge durch TCP gesteuert. An: Von:

Zerlegung einer Nachricht in Datenpakete durch TCP

Vorwärtsbewegen der Datenpakete durch IP

Sammeln und Ordnen der Datenpakete durch TCP

An: Von:

Router Router Router wkoenig@ wiwi.uni-frankfurt.de

Router Router

mertens@ wiso.uni-erlangen.de

Router

Abb. 2.5.1/1 Datenübertragung im Internet

Jeder Dienst über das TCP/IP-Protokoll nutzt fest im Netzwerkprotokoll spezifizierte Ports zur Kommunikation. Dieser Zusatz erlaubt es, dass mehrere Anwendungen über eine Internetverbindung gleichzeitig Daten austauschen können. Portnummern zählen zu den grundlegenden Elementen beim Einsatz der Protokolle TCP und User Datagram Protocol (UDP). Nach Eingang der Daten am Zielrechner müssen diese an den richtigen Anwendungsprozess geliefert werden. Anhand der Portnummer erkennt das System, für welche Anwendung die ein- und ausgehenden IP-Pakete bestimmt sind. Die Kombination aus IP-Adresse und Port ermöglicht die eindeutige Identifizierung eines Dienstes oder Prozesses auf einem spezifizierten Rechner. Durch den laufenden Ausbau und die Installation neuer Übertragungsstrecken sowie die zunehmende Vermaschung wird Kapazitätsengpässen bei der Datenübertragung im Netz begegnet. Ein weiteres Problem besteht bezüglich der Adressierung – obwohl theoretisch ca. 4,3 Milliarden (=2564) Systeme adressiert werden könnten. Geschlossene Netze verfügen über einen mehr oder weniger großen Adressraum, innerhalb dessen verschiedene Subnetze betrieben werden, wobei häufig große Teile dieses Adressraums brachliegen. Daher soll eine neue Protokollversion, die als IPv6 bezeichnet wird, die 32-Bit-Version des IPv4 schrittweise ablösen. Mit der Version 6 werden 128 Bits für die Adressierung verwendet, was einer Anzahl von 3,4 * 1038 Adressen entspricht. Im Gegensatz zu IPv4 bezeichnet man die Adressen bei IPv6 in Form von acht Hexadezimalzahlen (z. B. 2BA:0:66:899:0:0:459:AC39) und trennt sie durch Doppelpunkte voneinander [Siegmund 02]. Neben der Erweiterung des Adressraums soll IPv6 das Routing vereinfachen und zu einer höheren Datensicherheit beitragen sowie die Reservierung von Ressourcen, etwa für eine dauerhafte Verbindung, ermöglichen.

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2.5 Weltweite Vernetzung: Das Internet

2.5.2 Dienste und Technologien der Vernetzung Das Internet verfügt heute über eine Vielzahl von Diensten, die es einem Anwender ermöglichen, Informationen zu empfangen bzw. diese zu senden. Zu den populärsten Diensten zählt das World Wide Web (WWW). Zentraler Baustein von Webanwendungen sind in der Hypertext Markup Language (HTML) geschriebene Dokumente (siehe Abschnitt 2.2.2.1.1). Der Begriff Hypertext bezeichnet die Verknüpfung von Wörtern oder Textabschnitten mit anderen Informationsquellen. Durch Anklicken eines solchen Verweises (Link) kann das referenzierte Dokument aufgerufen werden. Da HTML nur einfache Möglichkeiten für die Gestaltung von Benutzungsoberflächen bietet, sind die aus der GUI-Programmierung (siehe Abschnitt 2.2.1.1) bekannten Kontrollelemente wie Pull-down-Menüs mithilfe eingebetteter Skripten in Sprachen wie JavaScript oder VBScript nachzuprogrammieren. Durch den Erfolg des WWW werden die Grenzen des HTML-Konzepts vielfach sichtbar, da z. B. die inhaltliche Struktur der ausgegebenen Daten nicht expliziert und damit deren Weiterverarbeitung erschwert wird. Eine Lösung dieses Problems bringt die Extensible Markup Language (XML, siehe http://w3.org/xml). Diese Metasprache eröffnet die Möglichkeit, Daten im Netz so zu beschreiben, dass auch die zu Grunde liegende Datenstruktur an ferne Anwender und deren IV-Systeme übermittelt wird. XML ermöglicht es, die Inhalte und ihre Struktur von der Darstellung (Layout) zu trennen, sodass ein Dokument für unterschiedliche Endgeräte jeweils grafisch angemessen visualisiert werden kann (z. B. PC-Monitor vs. Handy-Display). Weiterhin wird XML auch zum Informationsaustausch verwendet, da es sich als Standardstrukturierungssprache durchgesetzt hat. So können etwa Dokumente (bspw. zur Unterstützung von Geschäftsprozessen wie Bestellungen oder Rechnungen), die in XML geschrieben sind und bei denen man sich auf eine inhaltliche Struktur geeinigt hat, zwischen verschiedenen Systemen ausgetauscht und automatisch weiterverarbeitet werden (z. B. bei Electronic Data-Interchange, EDI) [Weitzel u. a. 01]. Eine wesentliche Erweiterung von Webanwendungen wird seit 1995 durch die Programmiersprache Java und den darauf aufsetzenden Technologien (z. B. Applets, Servlets, Java Server Pages (JSP), Java Beans) induziert. Servlets und JSP (Bestandteile der J2EE, siehe Abschnitt 2.2.2.3) sind bspw. spezielle, in Java geschriebene Programme, die auf einem Webserver ausgeführt werden und Interaktionen oder die Unterstützung komplexer Transaktionen über das WWW ermöglichen. Diese Anwendungen können von einem Client durch eine spezielle Anfrage an den Webserver gestartet werden. Für clientseitige Anwendungen ermöglicht Java die Entwicklung von Applets, die als portable Programme vom Server auf den Client übertragen und dort im Browser ausgeführt werden. Dies ermöglicht auch die Verlagerung der Ressourcenbeanspruchung (Prozessor, Speicher) vom stark bean-

2 Rechner und deren Vernetzung

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spruchten Server auf die Clientrechner. Wichtig ist die Übertragung auch, wenn die Bandbreite zwischen Client und Server zu stark beansprucht würde, wie bspw. im mobilen Bereich. Die „mobilen“ Applets, die auf PDAs oder Smartphones übertragen werden, heißen Midlets. Das Hypertext Transfer Protocol (HTTP) ist das Standardprotokoll des WWW. Über dieses Protokoll werden die (meist in HTML kodierten) Webseiten übertragen. Der Webbrowser stellt einen HTTP-Client dar, der Anfragen generiert und diese an einen Webserver sendet. Der Server enthält einen sog. HTTP-Daemon, der auf HTTP-Anfragen wartet und diese verarbeitet. Ein solches System bearbeitet diese anschließend und sendet das gewünschte Dokument zurück. Da HTTP ursprünglich nur für den freien Austausch von wissenschaftlichen Publikationen konzipiert wurde, können solche Verbindungen mit geringem Aufwand abgehört werden. Im Zuge der Kommerzialisierung des Internets wurde HTTP später um Sicherheitsmechanismen erweitert [Noack u. a. 00]. Common Gateway Interface (CGI) ist Bestandteil der HTTP-Spezifikation und stellt eine Standardschnittstelle dar, um externe Programme von einem Webmanagementsystem aus anzusprechen. Sobald der Benutzer ein HTMLFormular ausgefüllt hat, startet der Webserver ein externes Programm, das die Daten verarbeitet und eine Antwort generiert. Den Anwendern wird z. B. die Möglichkeit gegeben, über das Web auf Datenbanken (siehe Kapitel 3) zuzugreifen. Erreicht den Webserver eine Anfrage vom Client, werden die übergebenen Parameter über CGI an das korrespondierende Programm weitergereicht. Dieser leitet die Antwort über den gleichen Weg an den Client zurück. Heute haben sich neben CGI weitere Technologien durchgesetzt, die ähnliche Funktionalitäten, wie bspw. die Kommunikation mit einer Datenbank, anbieten. Dazu gehören PHP (Hypertext Preprocessor), ASP (Active Server Pages), JSP (Java Server Pages) und andere. Diese Sprachen haben gemeinsam, dass sie zur Programmierung dynamischer Webseiten entwickelt wurden und nicht als eigenständige Programme existieren. Mithilfe dieser Sprachen werden Programmelemente innerhalb von Webseiten platziert, die diese Dokumente um dynamische Inhalte, wie z. B. aktuelle Informationen, erweitern. Um Webseiten auch für mobile Geräte mit meist sehr eingeschränkten Darstellungsmöglichkeiten entwickeln zu können, wurde auf Basis von XML die Lay-out-Beschreibungssprache WML (Wireless Markup Language) entwickelt. Sie ist Teil der WAP-Spezifikation (Wireless Application Protocol) und verfügt über ähnliche Gestaltungselemente wie HTML. Da jedoch die Webseiten dadurch mehrfach erstellt werden müssen, sieht die WAPSpezifikation 2.0 die Anwendung von XHTML für alle Webseiten vor. XHTML ist die Definition von HTML in XML, was es ermöglicht, die Webseite, je nachdem, von welchem Gerät die Anfrage kommt, automatisch in das geeignete Darstellungsformat transformieren zu können. Im einfachsten

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2.5 Weltweite Vernetzung: Das Internet

Fall werden z. B. bei der Übertragung der Webseite an ein Smartphone die Grafiken herausgefiltert. Neben dem WWW und HTTP existieren weitere anwendungsbezogene Dienste auf der Grundlage von TCP/IP. Schwerpunkte sind: „ „ „ „ „

E-Mail (siehe Abschnitt 2.2.2.1.1) FTP (File Transfer Protocol) für die Dateiübertragung USENET zur Teilnahme an themenspezifischen Diskussionsforen IRC (Internet Relay Chat) zum Abhalten von Onlinekonferenzen Instant Messaging (IM): IM stellt einen Dienst zum Austausch von Nachrichten, Bildern und Dateien in Echtzeit zwischen mehreren Benutzern dar. Es ermöglicht Peer-to-Peer-Übertragungen (siehe Abschnitt 2.4.2) von Dateien ebenso wie die direkte Kommunikation zwischen zwei oder mehr Personen in Echtzeit. „ Telnet für virtuelle Terminal-Emulationen: Über den Telnet-Dienst kann ein Anwender – bei entsprechender Berechtigung – von seinem Rechner aus über das Netz die Leistungen eines anderen Computers nutzen, wobei er in einem Bildschirmfenster Dienstangebote dieses Rechners sieht. „ Voice-over-IP: Zunehmend an Bedeutung gewinnen IP-basierte Telefondienste, die man auch als Voice-over-IP bezeichnet. Man erfasst Sprachinformationen über ein Mikrofon und digitalisiert sie mithilfe einer Soundkarte. Die Sprachnachrichten werden dann in IP-Pakete zerlegt und wie herkömmliche Daten über das Netz übertragen. Bei der Anlieferung der Pakete am Zielort (z. B. einer Telefonnebenstellenanlage) erfolgt die Rückführung in ihre ursprüngliche Form. Durch das Packet-Switching im Internet können die einzelnen Teile einer Nachricht verschiedene Wege innerhalb des Internets einschlagen, sodass die langsame Anlieferung eines Datenpakets mitunter zu deutlichen Verzögerungen bei der Sprachausgabe führt. Abhilfe verspricht hier IPv6 (siehe Abschnitt 2.5.1).

2.5.3 Intranets und Extranets Die beschriebenen Internettechniken sowie die vielfach kostenfreie Verfügbarkeit entsprechender Software werden zunehmend interessant für den breiten Einsatz im geschlossenen Bereich der Unternehmen – in sog. Intranets und Extranets. Intranets sind geschlossene Netze auf der Basis von TCP/IP und den darauf aufsetzenden Protokollen und Diensten. Der Aufbau von Intranets ist insbesondere aus Gründen der Integration mit den Diensten im Internet attraktiv, sodass Anwender beide Netze mit der gleichen Oberfläche benutzen können. Häufig bietet man interne Handbücher, Rundbriefe, Adressverzeichnisse, Organisationsrichtlinien und nicht-öffentliche Teilekataloge in Intranets an. Bestehen Schnittstellen zwischen einem geschlossenen Netz und dem Internet, so werden gängigerweise sog. Firewalls implementiert, die den internen Bereich vom öffentlichen Netz abschotten (siehe Abschnitt 2.5.4).

2 Rechner und deren Vernetzung

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Ein Extranet bezeichnet demgegenüber ein geschlossenes Netz von über das Internet verbundenen Unternehmen mit entsprechenden Zugriffsrechten (z. B. die Zulieferunternehmen eines Automobilherstellers oder die eines Produzenten mit seinen Logistikunternehmen). Wie Intranets basieren Extranets auf der Nutzung von Internettechnologien. Eine verbreitete Technik sind sog. Virtual Private Networks (VPN), in welchen über ein TunnelingProtokoll Informationen beim Übergang vom privaten LAN in das öffentliche Netz (genauer: in der Firewall) verschlüsselt und beim Eintreffen am Empfangspunkt entsprechend decodiert werden. Darüber hinaus kann diese Technik auch in Intranets zum Einsatz kommen.

2.5.4 Sicherheit in Informations- und Kommunikationsnetzen Sicherheitsprobleme innerhalb eines geschlossenen Netzes resultieren z. B. daraus, dass das Einloggen Unberechtigter nicht verhindert wird. Um dies zu vermeiden, sind in solchen Netzen generell drei verschiedene Typen von Zugangssicherungen im Einsatz: „ Prüfung personenbezogener Kriterien mithilfe biometrischer Merkmale wie etwa des Fingerabdrucks oder von Gesichtskonturen „ Prüfung inhaberbezogener Kriterien auf Hardwarebasis, wie etwa mithilfe einer Smartcard „ Prüfung inhaberbezogener Kriterien auf Softwarebasis, wie etwa mithilfe eines Passworts oder einer PIN (persönliche Identifikationsnummer) Zugangssicherungen, welche hardwareseitig realisiert werden und unveränderliche persönliche Kriterien erfassen, weisen den höchsten Sicherheitsstandard auf, sind jedoch auch am teuersten. Ausschließlich softwarebasierte Lösungen sind preiswert, jedoch nur begrenzt zuverlässig. In der Praxis werden häufig Mechanismen verwendet, die Kombinationen von inhaberbezogenen Kriterien auf Hardware- und Softwarebasis überprüfen (z. B. Prüfung einer Karte und einer PIN). Um Fehlverhalten zugelassener Nutzer vorzubeugen, bietet sich die Möglichkeit, über das Betriebssystem Zugriffspfade, die sowohl Programme als auch Daten betreffen, zu spezifizieren. Damit erfolgt eine Benutzungsführung durch vorgegebene Regeln. Eine Sicherheitsproblematik im öffentlichen Netz resultiert daraus, dass viele Anwender ohne Vorabüberprüfung das weit gehend unreglementierte Medium Internet nutzen. Aus Sicht des Anwenders stehen einem erhöhten Aufwand zur Gewährleistung der Sicherheit im Netz geringe Kosten des Anschlusses sowie niedrige Datenübertragungskosten gegenüber. Im Internet, aber auch in Intra- und Extranets, können vier grundsätzliche Arten von „Angriffen“ auftreten:

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2.5 Weltweite Vernetzung: Das Internet

„ Versuche von Unberechtigten, eine Kommunikation zwischen Akteuren abzuhören oder zu verändern „ Zugriff auf Datenbanken, um Inhalte zu „stehlen“, zu manipulieren oder zu löschen „ Versuche, Server durch Überlastung in ihrer Funktionsfähigkeit zu blockieren (Denial-of-Service-Attacke) „ Ungezielte Versuche von Akteuren im Netz, Systemelemente oder die Kommunikation zu stören (z. B. durch das Aussenden von Viren) Kryptografische Verfahren dienen dazu, die Geheimhaltungs- und Authentifizierungsziele zu erreichen. Man kann hierbei symmetrische und asymmetrische Verschlüsselungsmethoden unterscheiden. Bei der symmetrischen Verschlüsselung wird eine Nachricht durch den Sender mit einem Schlüssel chiffriert und beim Empfänger durch die umgekehrte Anwendung desselben Schlüssels dechiffriert. Ein Problem ist, dass zuvor Sender und Empfänger den Schlüssel über einen sicheren Kanal transportieren müssen. Die asymmetrische Verschlüsselung basiert dagegen auf einem eng aufeinander bezogenen Schlüsselpaar für jeden Kommunikationsteilnehmer, bei dem sich der eine Schlüssel nicht ohne weiteres aus dem anderen (bspw. durch Umkehrung) herleiten lässt. So kann einer der beiden Schlüssel veröffentlicht und von einem Sender zur Chiffrierung verwendet werden. Die verschlüsselte Nachricht lässt sich anschließend nur noch mit dem dazu passenden zweiten Schlüssel, den der „Besitzer“ der beiden Schlüssel im Geheimen behält, decodieren. Ein Beispiel findet sich in [Buchmann 01]. Bei Attacken auf die Betriebsbereitschaft von Servern (Denial-of-ServiceAttacke) wird z. B. ein Webserver einer großen Anzahl von künstlich erzeugten Anfragen ausgesetzt, die zum Absturz des Rechners bzw. zur Überlastung der Leitungen führen. Da man nicht in der Lage ist, zwischen sinnvollen und sinnlosen Anfragen zu unterscheiden, bieten Schutzprogramme nur geringe Hilfe. Attacken, deren Ziel in einer Veränderung des Inhalts eines Servers liegt, kann durch Abschalten unnötiger Dienste und der Installation geeigneter Sicherheitsprogramme begegnet werden. Zur Sperrung nicht zwingend erforderlicher Ports (siehe Abschnitt 2.5.1) werden sog. Firewalls eingesetzt. Der Schutzmechanismus kann dabei aus einer oder mehreren Hard- und/oder Softwarekomponenten bestehen, welche die Adressen der einkommenden und ausgehenden TCP/IP-Pakete auf gültige IP-Adressen und Port-Nummern prüfen. Bei nicht gezielten Versuchen von Akteuren im Netz, die Kommunikation zu stören, stehen die Erzeugung und der Versand von Viren im Mittelpunkt. Ein Virus ist ein nicht selbstständig lauffähiges Stück Software, das sich durch Installation (etwa in E-Mail-Programmen) selbst reproduziert und vom Anwender nicht kontrollierbare Manipulationen, bspw. am Betriebssystem, ausführt. Dagegen werden Virenschutzprogramme eingesetzt.

2 Rechner und deren Vernetzung

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2.5.5 Rechner- und Netzinfrastrukturen Unternehmen und andere netzbetreibende Organisationen setzen, logisch gesehen, aus den vorgestellten Bausteinen ihre Rechner- und Netzinfrastruktur zusammen und verbinden diese mit dem Internet, welchem auch Teile der eigenen Infrastruktur zur Verfügung gestellt werden. Bei großen Betrieben verläuft die Entwicklung einzelner Beschaffungs- und Erweiterungsentscheidungen im Zuge der zunehmenden Integration von Betriebswirtschaft und Technik in vielen Fällen ausgehend von zentralen Großrechnern zu dezentralen Architekturen. Dabei führen kurzfristige Einflüsse bisweilen dazu, dass derartige Systemstrukturen unkoordiniert wachsen. Einen Beitrag zur gezielten Entwicklung kann die Anwendung von IV-Architekturmodellen leisten (siehe Abschnitt 6.1.2). PRAKTISCHES BEISPIEL Die comdirect bank AG, eine Tochter der Commerzbank AG, ist mit 575.000 Kunden der größte deutsche Discountbroker (Stand Frühjahr 2003). Im Zentrum steht die schnelle, zuverlässige und kostengünstige Orderausführung für Wertpapieran- und -verkäufe. 90 % aller Aufträge werden dabei über das Internet abgewickelt. Hierzu betreibt die comdirekt bank in Quickborn das Onlinetransaktionssystem Direct Brokerage, über welches ihre Kunden Aufträge erteilen können.

Abb. 2.5.5/1

Ausschnitte aus der Rechner- und Netzarchitektur für die comdirect bank AG

Dieses System ist über Standleitungen mit den Zentralsystemen der Commerzbank verbunden, z. B. für das Konsolidieren der Konten (vgl. Abbildung 2.5.5/1). Neben dem Direct-Brokerage-System stellt die comdirect bank ihren Kunden den größten europäischen Börseninformationsdienst im Internet, den sog. Informer der Firma IS Innovative Software AG Frankfurt am Main, zur Verfügung (abrufbar über http://www.comdirect.de). Dieses System bietet z. B. kostenlose aktuelle Informatio-

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2.6 Literatur zu Kapitel 2

nen zum weltweiten Börsengeschehen und unterschiedliche Oberflächen für Anfänger und Experten. Der Informer bediente im ersten Quartal 2003 über das Internet ca. 250 Mio. Seitenabfragen (page impressions) und ca. 55 Mio. Besuche (Visits) pro Monat (gemessen nach dem Verfahren der Informationsgemeinschaft zur Feststellung der Verbreitung von Werbeträgern). In der Spitzenlast (kurz nach Börsenöffnung und vor Börsenschluss) beantwortet das System ca. 100.000 Datenbankabfragen pro Minute. Hierzu ist die Firma IS Innovative Software AG mit vierfach ausgelegten 155 MbitATM-Leitungen ins Internet verbunden. Das Kontingent der comdirect bank ist in der Spitze zu etwa 50 % ausgelastet. Die Transaktionsleistung wird von einem nach Bedarf ausbaufähigen Set von momentan 165 Intel-basierten Hochleistungsservern erbracht, die ebenfalls über das Breitbandnetz kommunizieren. Die Anwender greifen auf Frontend-Server zu, welche die Anwendungslogik enthalten und die Webseiten erzeugen (z. B. standardisierte Kursabfragen oder individuelle Marktübersichten). Backend-Server, die indirekt (über die Frontend-Server) dem Kunden zusätzliche Informationen bereitstellen, beinhalten historische Kursdatenbanken und Nachrichtenarchive. Außerdem unterstützen sie den Intradayhandel. Die Anwendungssoftware läuft unter dem Betriebssystem Linux und ist komplett eigenerstellt, um die hohen Durchsatzanforderungen zu befriedigen. Da die Dienste Direct Brokerage und Informer im Webbrowser integriert sind, ist für den Anwender die Trennung der beiden Systeme nicht erkennbar.

2.6

Literatur zu Kapitel 2

Buchmann 01

Buchmann, J., Einführung in die Kryptographie, 2. Aufl., Heidelberg 2001.

Eicker/Nietsch 99

Eicker, S. und Nietsch, M., Standards zum objektorientierten Paradigma, WIRTSCHAFTSINFORMATIK 41 (1999) 4, S. 358-370. Giloi, W. K., Rechnerarchitektur, 3. Aufl., Berlin 2000. Noack, J., Mehmanesh, H., Mehmaneche, H. und Zendler, A., Architekturen für Network Computing, WIRTSCHAFTSINFORMATIK 42 (2000) 1, S. 5-14.

Giloi 00 Noack u. a. 00

Scheer 94 Siegmund 02 Keller 99

Scheer, A.-W., CIM - Computer Integrated Manufacturing. Towards the Factory of the Future, 4. Aufl., Berlin 1994. Siegmund, G., Technik der Netze, 5. Aufl., Heidelberg 2002. Keller, G., SAP R/3 prozessorientiert anwenden. Iteratives Prozess-Prototyping mit Ereignisgesteuerten Prozessketten und Knowledge Maps, 3. Aufl., München 1999.

Weitzel u. a. 01

Weitzel, T., Harder, T. und Buxmann, P., E-Business und EDI mit XML, Heidelberg 2001.

3 Daten, Information und Wissen

Entscheidungsvorgänge lassen sich als IV-Prozesse auffassen. Zweckneutrale Daten (z. B. Kapazitäten, Termine) und die daraus gewonnenen zweckgerichteten Informationen (z. B. kann ein Kapazitätsengpass zu Terminverzögerungen bei der Auftragsabwicklung führen) bilden die Basis für unternehmerische Entscheidungen (etwa die Einführung von Sonderschichten) und können betriebliches Wissen schaffen (etwa die Erfahrung, dass gewisse Datenkonstellationen bestimmte Entscheidungsnotwendigkeiten auslösen). Daten über unternehmensinterne und -externe Sachverhalte sind damit der „Rohstoff“ für Informations- und Entscheidungsprozesse sowie für die Entstehung von Wissen. Dabei ist Wissen immer das Ergebnis verarbeiteter und in einem Kontext interpretierter Informationen. Als Informationen bezeichnet man Bedeutung tragende Daten, die auf etwas aufmerksam machen. Daten sind also zu Informationen verarbeitbar, aus denen sich Wissen gewinnen lässt. Daten fallen in allen Bereichen der Unternehmung sowie in ihrem relevanten Umfeld an und beziehen sich z. B. auf Artikel/Teile, Aufträge, Arbeitsplätze, Anlagen, Verbrauchs- und Zahlungsvorgänge sowie auf Eigenschaften und Verhaltensweisen von Kunden und Lieferanten. Diese Daten müssen erfasst, verwaltet und verteilt werden. Hieraus ergeben sich Fragen zur Datenorganisation, die der erste Abschnitt Daten und Datenbanken diskutiert. Unternehmen definieren sich immer weniger als standortabhängige, integrierte Gebilde. Zunehmend entstehen modulare Organisationen, zwischenbetriebliche Kooperationen (wie z. B. das Supply-Chain-Management, siehe Abschnitt 4.4.3) und virtuelle Organisationsstrukturen [Picot u. a. 03], die neue Herausforderungen für die Datenorganisation darstellen. Mit dieser Thematik setzt sich der zweite Abschnitt Verteilte Datenbanken auseinander. Um aus Daten Informationen gewinnen zu können, muss der Datenbestand zweckorientiert ausgewertet und häufig um weitere, externe Daten ergänzt werden. Dies ist Thema des dritten Abschnitts Gewinnung von Informationen. Durch Vernetzung und Verarbeitung dieser Informationen mit den individuellen Erfahrungen und Kenntnissen entsteht Wissen. Dieses Wissen zu transferieren, zu nutzen und zu speichern wird einerseits immer wichtiger, lässt sich andererseits jedoch nicht einfach realisieren. Diese Problematik wird im vierten Abschnitt Wissen und Wissenstransfer aufgezeigt.

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3.1

3.1 Daten und Datenbanken

Daten und Datenbanken

Nach einer kurzen Beschreibung der Ziele und Voraussetzungen einer Datenintegration werden die Grundlagen der Datenorganisation (siehe Abschnitte 3.1.2 und 3.1.3) erörtert. Es folgt eine Gegenüberstellung von Datei- und Datenbankorganisation, um hierauf aufbauend Bestandteile von Datenbanksystemen zu betrachten. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf den relationalen und objektorientierten Datenbankmodellen (siehe Abschnitt 3.1.8).

3.1.1 Ziele und Voraussetzungen der Datenintegration In einer Unternehmung liegen Daten in integrierter Form vor, wenn fachlich gleiche Daten nur einmal gespeichert werden. Jeder Anwender bzw. jede Anwendung versorgt sich von dieser Stelle mit Daten und aktualisiert ggf. zentral gespeicherte Daten. In diesem Zusammenhang wird auch von zentraler Datenorganisation gesprochen. Im Unterschied zur isolierten und mehrfachen Speicherung der gleichen Daten bietet die Datenintegration eine Reihe von Vorteilen (Ziele): „ Reduktion des Datenerfassungsaufwandes (etwa auf Grund des Wegfalls von Mehrfacherfassungen) „ Verringerung von Datenredundanzen (d. h. überflüssigen Datenwiederholungen) (siehe Abschnitt 3.1.4) und damit eine „ Erhöhung der Datenintegrität (Korrektheit und Vollständigkeit der Daten), z. B. durch die Verringerung der Gefahr manueller Fehleingaben (siehe Abschnitt 3.1.6) „ Rationalisierung von Arbeitsabläufen (vor allem durch die Beschleunigung des Informationsflusses auf Grund des Abbaus von Informationshemmnissen) „ Schaffen der Voraussetzungen für eine Funktions- bzw. Prozessintegration auf der Datenseite (siehe Abschnitt 1 sowie 4.3) „ Insgesamt eine verbesserte Informationsversorgung der Entscheidungsträger (z. B. durch die nun mögliche Realisierung datenintensiver, übergreifender Informationssysteme) Zur Verwirklichung dieser Ziele sind – neben adäquaten organisatorischen Rahmenbedingungen – vor allem technische Voraussetzungen zu erfüllen (siehe Abschnitt 2.4). So sollten Daten möglichst vollautomatisiert und frühzeitig an den Datenquellen erfasst werden (z. B. Aufträge schon beim Kunden, Produktionsdaten an den Fertigungsaggregaten) und es wird verlangt, den Datenfluss über geeignete Rechnernetze zu unterstützen.

3 Daten, Information und Wissen

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3.1.2 Klassifizierung von Daten Daten werden im Weiteren als eine Folge maschinell verarbeitbarer Zeichen (Grundelemente der Datendarstellung) verstanden, die Objekte und Objektbeziehungen der Realwelt durch ihre Merkmale beschreiben und damit repräsentieren. Zu denken ist beispielsweise an die Daten des Objekts Artikel (mit den Merkmalen Preis, Artikelbezeichnung etc.) und an solche über die Beziehungen dieses Objekts zu anderen Objekten (z. B. Kunden erteilen Aufträge über die Lieferung von Artikeln). Daten können z. B. nach den folgenden Kriterien klassifiziert werden: „ Zeichenart bzw. Datentyp: nummerische (Ziffer), alphabetische (Buchstaben des Alphabets) und alphanummerische Daten (Ziffern, Buchstaben und Sonderzeichen) „ Erscheinungsform: sprachliche (z. B. menschliche Laute), bildliche (z. B. Grafiken) und schriftliche Daten (z. B. Texte) „ Formatierung: formatierte (z. B. formgebundene Tabellen) und unformatierte Daten (z. B. formfreie Texte) „ Stellung im Verarbeitungsprozess: Eingabe- und Ausgabedaten „ Verwendungszweck:  selten zu verändernde Stammdaten, z. B. Personalstammdaten wie Namen und Adressen  bestandsverändernde Bewegungsdaten, z. B. Lagerzu- und -abgänge  Transferdaten, d. h. Daten, die von einem Programm erzeugt und zur Weiterverarbeitung an ein anderes Programm transferiert werden, z. B. Daten, die von einem Tabellenkalkulationsprogramm erzeugt und von einem Präsentationsprogramm übernommen werden  Vormerkdaten (Offene Posten), d. h. Daten, die so lange existieren, bis ein genau definiertes Ereignis eintritt, z. B. Debitoren Beispielsweise enthält die Jahresbilanz einer Unternehmung nummerische, schriftliche, formatierte und ausgegebene Daten bezüglich des Anlageund Umlaufvermögens sowie des Eigen- und Fremdkapitals.

3.1.3 Grundbegriffe der Datenorganisation Wichtige und aufeinander aufbauende Begriffe der Datenorganisation sind (vgl. Abbildung 3.1.3/1): „ Datenfeld (Datenelement): Ein Datenfeld oder Datenelement besteht aus einem oder mehreren Zeichen, z. B. einer Artikelnummer oder einem Artikelname. „ Datensatz: Inhaltlich zusammenhängende Datenfelder werden sowohl logisch (Schlüssel als Suchbegriff) als auch physisch (z. B. auf der Festplatte (siehe Abschnitt 2.1.2)) zu adressierbaren Datensätzen zusammen-

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3.1 Daten und Datenbanken

gefasst. Ein einfacher Datensatz für einen Artikel besteht beispielsweise aus Artikelnummer, Artikelname, Warengruppe und Artikelpreis. „ Datei: Alle Datensätze, die zusammengehören und dem gleichen Format folgen, speichert man in einer Datei – in unserem Beispiel etwa in einer Artikeldatei. Datei

Datensatz Artikelnummer

Artikelname Warengruppe

Artikelpreis

Datenfeld Abb. 3.1.3/1 Hierarchie der Datenbegriffe

„ Datenbank: Als Datenbank bezeichnet man eine Sammlung logisch zusammengehörender Dateien, die auf einem geeigneten Trägermedium gespeichert sind. Zum Beispiel kann eine einfache Datenbank für die Kostenrechnung aus Dateien für die verschiedenen Kostenarten, betrieblichen Kostenstellen und Kostenträger bestehen. „ Datenbanksystem: Ein Datenbanksystem besteht aus einer Datenbank und den zugehörigen Routinen zu ihrer Verwaltung, dem sog. Datenbankmanagementsystem (DBMS, siehe Abschnitt 3.1.5). „ Verteiltes Datenbanksystem: Ein Datenbanksystem, dessen Dateien auf meist an unterschiedlichen Orten betriebenen Rechnern gehalten werden, die miteinander in geeigneter Weise vernetzt sind, wird als verteiltes Datenbanksystem bezeichnet (siehe Abschnitt 3.2.1). „ Data-Warehouse: Ein Data-Warehouse ist ein sehr komplexes Datenbanksystem, dessen Datenbank mit Daten aus unterschiedlichen unternehmensinternen und -externen Datenbanken gespeist wird, Daten archiviert und zudem über verschiedene Werkzeuge zur Datenaufbereitung verfügt (siehe Abschnitt 3.2.2). Im Gegensatz zu operativen Datenbanken, die der Abbildung der aktuellen Unternehmenssituation dienen – häufig in Form formatierter Datenbanken – stellen Data-Warehouses eine Art Archivspeicher dar. „ Dokumenten-Management-System: Werden Dokumente in elektronischer Form verwaltet, so handelt es sich um Dokumenten-Management-Systeme (DMS). Sie dienen dazu, bestimmte Dokumente über Deskriptoren (siehe Abschnitt 3.3.2) wiederzufinden. Schriftstücke, die bisher noch nicht elektronisch vorliegen, werden dazu häufig über Scanner erfasst (Imaging).

3 Daten, Information und Wissen

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„ Methoden- bzw. Komponentenbank: Grundlegende Operations ResearchMethoden, statistische Verfahren und Programmkomponenten bzw. Softwarebausteine werden in Methoden- bzw. Komponentenbanken gespeichert und können je nach Bedarf miteinander kombiniert werden. Voraussetzung ist die Speicherung geeigneter Softwaremodule, die auf der Basis genormter Schnittstellen wieder verwendet werden können. Eine derartige Komponentenarchitektur eröffnet die Vorteile von Standardsoftware bei gleichzeitiger besserer Anpassbarkeit an die unternehmensspezifischen Probleme. „ World Wide Web (WWW): Das Web stellt mit seinen unzähligen, über das Internet miteinander vernetzten Datenbanken die größte existierende Datenbasis dar. Da das Web über keine übergreifende logische Datenstrukturierung verfügt, handelt es sich nicht um ein Datenbanksystem, sondern um eine unformatierte Datensammlung. Über den gesamten Datenbestand des Webs sind daher nur einfache, stichwortbasierte Abfragen möglich. „ Semantic Web: Das Semantic Web hat als zentrales Ziel, dem existierenden Web strukturierte Metadaten mit computerinterpretierbarer Bedeutung (Semantik) hinzuzufügen. Damit ermöglicht es in Zukunft auch komplexe Abfragen über das Web, wie sie bisher Datenbanksystemen vorbehalten sind. Allerdings befindet sich das Semantic Web noch in einer frühen Entwicklungsphase, wird aber vom WWW-Konsortium und dem Erfinder des Webs, Tim Berners-Lee, derzeit stark gefördert [Neumeier u. a. 03]. In faktisch allen strukturierten Datenbanken besitzen Datensätze einen Schlüssel. Ein Schlüssel besteht aus einem oder mehreren Datenfeldern, die einen Datensatz eindeutig identifizieren. Diese Eigenschaft muss unabhängig von den momentan in der Datenbank vorhandenen Datensätzen gegeben sein. Findet man z. B. in einer Datei zu einem bestimmten Zeitpunkt nur einen Datensatz des Typs ANGESTELLTE, dessen Datenfeld NACHNAME den Inhalt „Meyer“ aufweist, so kann das Datenfeld NACHNAME nur dann als Schlüssel verwendet werden, wenn das DBMS sicherstellt, dass kein weiterer Angestellter mit Namen „Meyer“ gespeichert wird. Unter allen möglichen Schlüsseln für einen Typ von Datensätzen zeichnet man einen Schlüssel aus, den sog. Primärschlüssel. Der Primärschlüssel ist Repräsentant aller – vom Wert des Primärschlüssels abhängigen – Datenwerte. Dieser Schlüssel soll aus der kleinsten nur möglichen Anzahl von Datenfeldern bestehen. Ein Beispiel für einen Primärschlüssel ist die Datenfeldkombination „Familienname, Vorname, Geburtsdatum“. Zum Zweck der leichteren Identifikation von Datensätzen bedient man sich in der Praxis i. d. R. systemfreier Zählnummern als Schlüssel (z. B. Personalnummer). Alle Schlüssel, die nicht Primärschlüssel sind, werden Sekundärschlüssel genannt. Mit ihrer Hilfe gelingt z. B. die Verknüpfung verschiedener Dateien. Die Vergabe von Primär- und Sekundärschlüsseln spielt v. a. bei der Ent-

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3.1 Daten und Datenbanken

wicklung relationaler Datenbanken (siehe Abschnitt 3.1.8.1) eine wichtige Rolle.

3.1.4 Dateiorganisation versus Datenbankorganisation In den Anfängen der Datenverarbeitung basierte die Entwicklung von AS auf einer engen Verflechtung zwischen dem Programmentwurf und der physischen Datenorganisation auf den Speichermedien. In Abhängigkeit des jeweiligen Programms werden die Daten jeweils programmbezogen bereitgestellt. Für jede Anwendung sind dabei eigene Dateien mit den erforderlichen Datensätzen und spezifischen Zugriffsfunktionen erforderlich. Der Dateiaufbau ist der lokalen, einzelnen Aufgabenstellung angepasst und besitzt eine geringe Flexibilität bezüglich neuer Anwendungen, da dort vorhandene Dateien z. B. in anderer Sortierfolge vorliegen müssen oder durch zusätzliche Felder zu ergänzen sind. Die Folge ist eine doppelte oder mehrfache Anlage identischer Daten für unterschiedliche Programmanforderungen mit der Gefahr der unkontrollierten Redundanz von Daten und inkonsistenter Datenbestände. Im Gegensatz zur dateiorientierten Organisation sind die Daten einer Datenbank für verschiedene Anwendungssysteme übergreifend entworfen und gültig, d. h., sie sind unabhängig von den einzelnen Programmen, die auf sie zugreifen. Diese Unabhängigkeit in der Datenorganisation bildet die wesentliche Anforderung an moderne Datenbanksysteme und wird durch eine Trennung der logischen Datenstrukturierung von der physischen Datenspeicherung erreicht. Abbildung 3.1.4/1 verdeutlicht den Unterschied [Ricardo 90, S. 6 ff.]: Bei der dateibasierten Datenorganisation greifen die Programme 1 und 2 auf eigene, physisch vorhandene Dateien zu; die Datei B ist redundant. Im Fall der datenbankorientierten Datenorganisation stellt das DBMS den Programmen die jeweils erforderlichen logischen Dateien zur Verfügung; physisch werden die Daten redundanzfrei und konsistent in der Datenbank abgelegt. Unabhängig von der Art der zu Grunde liegenden Datenorganisation sind folgende Dateioperationen möglich: „ Suchen von einem oder mehreren Datensätzen nach einem bestimmten Suchkriterium (Wert von Datenfeldern) „ Ändern von Datenfeldwerten „ Einfügen von neuen Datensätzen „ Löschen von vorhandenen Datensätzen „ Sortieren von Datensätzen „ Kopieren von gesamten Dateien oder Teilen davon „ Aufteilen von Dateien in mehrere neue Dateien „ Zusammenfügen von mehreren Dateien zu einer neuen Datei

3 Daten, Information und Wissen

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Dateiorganisation Datei A Programm 1 Datei B Datei B Programm 2 Datei C Datenbankorganisation Programm 1

logische Datei A logische Datei B

Programm 2

Datenbank Datenbankverwaltungsprogramm

logische Datei C

physische Datei Y physische Datei Z

Abb. 3.1.4/1 Datei- und datenbankorientierte Datenorganisation

3.1.5 Komponenten eines Datenbanksystems Ein Datenbanksystem (DBS) besteht aus einer Datenbank (siehe Abschnitt 3.1.3) und dem Datenbankmanagementsystem. Aufgabe des DBMS ist die Verwaltung der Datenbank. Zur Durchführung und Spezifikation der Dateioperationen stehen u. a. die folgenden Komponenten zur Verfügung: „ Datendefinitions- oder -beschreibungssprache (Data Definition/Description Language, DDL): Sie dient der Beschreibung der logischen Datenstrukturen einer Datenbank. Eine Aufgabe ist die Übertragung des Datenmodells (siehe Abschnitt 3.1.8) in die Datenbank. „ Datenmanipulationssprache (Data Manipulation Language, DML): Sie ermöglicht Datenbankbenutzern und Anwendungsprogrammen den interaktiven Zugriff (z. B. Ändern, Hinzufügen, Löschen) auf die Datenbank. „ Speicherbeschreibungssprache (Data Storage Description Language, DSDL): Sie übernimmt die Beschreibung der physischen Datenorganisation innerhalb eines Datenbanksystems. „ Abfragesprache (Query Language, QL): Sie erlaubt die deskriptive Formulierung von Abfragen (z. B. Suche nach Kunden aus München) und vereinfacht somit die direkte Kommunikation zwischen Benutzer und DBS. Abfragesprachen sind nicht zwingend Bestandteil von DBMS. Im Gegensatz zur DML sind zu ihrer Anwendung keine detaillierten Systemkenntnisse erforderlich.

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3.1 Daten und Datenbanken

Die genannten Sprachen, die z. T. prozedural (DDL, DML und DSDL), z. T. deskriptiv (QL) sind, werden in gängigen DBS-Produkten nicht immer getrennt voneinander realisiert. Häufig findet man in DBMS z. B. die DML und die QL in einem Konzept integriert. De-facto-Standard bei relationalen DBS (siehe Abschnitt 3.1.8.1) ist die Structured Query Language (SQL, siehe Abschnitte 2.2.1.2 und 3.1.9). Ihr objektorientiertes Pendant (siehe Abschnitt 3.1.8.2) ist die Object Query Language (OQL) für objektorientierte Datenbanken.

3.1.6 Architektur eines Datenbanksystems Bei der Formulierung von Daten und Datenbeziehungen kann man drei verschiedene Abstraktionsebenen bzw. Sichtweisen unterscheiden: Aus einer konzeptuellen Perspektive werden Daten und ihre Zusammenhänge möglichst situations- und damit auch personen- und kontextunabhängig formuliert. Aus einer zweiten Perspektive können die Daten so organisiert sein, wie sie die verschiedenen Anwender benötigen (externe Sicht). Schließlich lassen sich Daten im Hinblick auf die Struktur der physischen Speicherung (interne Sicht) beschreiben. Diesen unterschiedlichen Sichtweisen entsprechend legt man für die Beschreibung der prinzipiellen Struktur von DBS zumeist die vom ANSI/SPARC (American National Standards Institute/Standards Planning and Requirements Committee) vorgeschlagene Drei-Ebenen-Architektur zu Grunde (vgl. Abbildung 3.1.6/1). Auf der konzeptuellen Ebene (auch konzeptuelles Schema) erfolgt die logische Gesamtbeschreibung aller relevanten Objekte und ihrer Beziehungen. Konzeptuelle Modelle (z. B. die Beschreibung von Datenstrukturen in der Material- und Terminwirtschaft) werden i. d. R. in Zusammenarbeit mit allen betroffenen Fachabteilungen einer Unternehmung erstellt. Die DDL eines DBMS unterstützt die Umsetzung des Schemas in die Datenbankbeschreibung (insbesondere die Festlegung von Datenfeldern, Feldtypen, Feldlängen und der Beziehungen zwischen Datensätzen). Die Sicht des Anwenders auf die von ihm benutzten Datensätze bezeichnet man als Subschema, externes Modell oder View (z. B. erhält ein Einkäufer keine Sicht auf die Monatsgehälter seiner Kollegen; der Personalsachbearbeiter wiederum benötigt diese Daten). Die Verbindung zwischen dem DBS und den Benutzern sowie ihren Anwendungsprogrammen wird über die DML hergestellt. Die problemindividuellen Benutzersichten leiten sich aus dem konzeptuellen Modell ab. Demzufolge ist die Benutzersicht ein Ausschnitt aus dem konzeptuellen Modell. Sie weist damit den gleichen Abstraktionsgrad wie ein konzeptuelles Modell auf.

3 Daten, Information und Wissen

61

Abb. 3.1.6/1 Drei-Ebenen-Architektur von Datenbanksystemen

Weder das Schema noch das externe Subschema spezifizieren, wie Daten physisch zu speichern sind. Bei gegebener logischer Struktur existieren unterschiedliche Möglichkeiten der physischen Datenorganisation. In der internen Ebene (auch internes Schema) wird die physische Datenorganisation mit Hilfe der DSDL festgelegt. Das physische Modell enthält eine formale Beschreibung, wie die Daten abzuspeichern sind und wie auf sie zuzugreifen ist. Diese Beschreibung wird auch als internes Modell bezeichnet. Die Transformationen zwischen den einzelnen Ebenen werden auf der Basis von Transformationsregeln vom DBMS durchgeführt. Es übersetzt Zugriffswünsche, die in den Begriffen eines externen Modells formuliert werden, zunächst in die Kategorien des konzeptuellen Schemas. Im nächsten Schritt folgt die Ausführung der zur Bedienung notwendigen Operationen auf der physischen Ebene, welche mit Hilfe des Betriebssystems durchgeführt werden und die gewünschten Daten in der vom externen Modell definierten Form an den Benutzer übergeben. Wichtige Anforderungen an DBS sind: „ Datenunabhängigkeit: Unabhängigkeit zwischen Schema und Anwendungsprogrammen bzw. Benutzern (logische Datenunabhängigkeit) sowie zwischen Schema und physischer Datenorganisation (physische Datenunabhängigkeit) „ Geplante und kontrollierte Datenredundanz: Begrenzung der Redundanz auf ein kleinstmögliches bzw. zweckmäßiges Maß durch eine entsprechende Datenstruktur

62

3.1 Daten und Datenbanken

„ Sicherung der Datenkonsistenz: Erhaltung des gleichen Änderungsstands bei mehrfach gespeicherten Datenbeständen „ Datenbankintegrität (Korrektheit und Vollständigkeit der Daten): Vermeiden sowohl von Fehleingaben und unzulässigen Operationen (semantische Integrität) als auch Verhinderung von Fehlern, wenn mehrere Anwender auf gleiche Datenbestände zugreifen (operationale Integrität) „ Datensicherheit: Bewahrung der Daten vor Verfälschung, Vernichtung und unberechtigtem Zugriff „ Datenschutz: Verhinderung der unberechtigten Verwendung von Daten (siehe Abschnitt 6.3.1.1) „ Ausfallsicherheit: Ein DBMS soll Routinen aufweisen, um nach einem Absturz die Konsistenz der Daten wiederherzustellen.

3.1.7 Datenmodellierung Vor der Implementierung einer Datenbank sind auf der konzeptuellen Ebene zwei Schritte erforderlich: die Datenmodellierung bzw. -strukturierung sowie der Transfer in ein geeignetes Datenbankmodell (siehe Abschnitt 3.1.8). Aufgabe der Datenmodellierung ist die möglichst exakte Beschreibung des in der Datenbank abzubildenden Realitätsausschnitts [Picot/Maier 94]. Dabei leitet man sachlogische Objekte (z. B. Kunden- und Artikeldaten) und die zwischen diesen Objekten existierenden Beziehungen (z. B. Kunde kauft Artikel) ab. Hierzu sind weitgehend interpretations- und redundanzfreie Vereinbarungen hinsichtlich der Semantik, d. h. der Bedeutung der Begriffe, zu finden. Beispielsweise ist zu klären, ob unter einem Artikel ein Endprodukt, ein in Endprodukte eingehendes Material oder beides verstanden wird. Man bezeichnet diese Phase deshalb als semantische bzw. konzeptionelle Datenmodellierung. Für diese Aufgabe hat sich die Entity-Relationship (ER)-Methode als de-facto-Standard etabliert [Chen 76]. Ergebnis der Methode ist das Entity-Relationship-Modell (ERM). Die ER-Methode ist durch eine klare Definition und übersichtliche grafische Darstellung gekennzeichnet. Mit ihr lassen sich Objekte und ihre Beziehungen beschreiben. Die Grundelemente der ERMethode sind Entities mit ihren Eigenschaften (Attributen) sowie die Beziehungen (Relationships) zwischen diesen Entities mit den dazu gehörigen Attributen. Entities sind reale oder abstrakte Objekte mit einer eigenständigen Bedeutung. Ein Entity kann z. B. ein Kunde, Lieferant oder Artikel, aber auch eine Abteilung eines Unternehmens sein. In einem ERM ist zu unterscheiden, ob ein Entity ein bestimmtes Objekt (Exemplar) darstellt (z. B. Kunde Maier) oder ob man alle Entities des gleichen Typs, d. h. die gesamte Klasse des Objekts „Kunde“, meint. Im letztgenannten Fall spricht man von Entitytyp.

3 Daten, Information und Wissen

63

Attribute sind Eigenschaften von Entity- und Beziehungstypen. Ihre konkreten Ausprägungen, die Attributwerte, beschreiben die einzelnen Entities bzw. Beziehungen näher. So kann man den Entitytyp „Mitarbeiter“ u. a. mit den Attributen „Mitarbeiternummer“, „Anschrift“, „Name“, „Alter“ und „Abteilung“ charakterisieren und die Beziehung „Kunde kauft Produkt“ mit den Attributen „Datum“ und „Menge“ spezifizieren. Sämtliche Entities eines Entitytyps bzw. sämtliche Beziehungstypen werden durch dieselben Attribute dargestellt. Ein Entity bzw. eine Beziehung ist also durch eine spezifische Attributwertkombination beschrieben. Diese Werte müssen innerhalb eines definierten Wertebereichs liegen, den man auch als Domäne bezeichnet. Bei den zwischen den Entities bestehenden Beziehungen lassen sich drei unterschiedliche Beziehungstypen (Relationshiptypen) unterscheiden (vgl. Abbildung 3.1.7/1 und siehe Abschnitt 3.1.8). Eine 1:1-Beziehung bringt zum Ausdruck, dass zu jedem Element der ersten Menge maximal ein Element der zweiten Menge gehört und umgekehrt (z. B.: Jeder (einzelne) Angestellte eines Betriebes hat jeweils einen Arbeitsvertrag und umgekehrt). Bei einer 1:N-Beziehung lässt sich ein Entity der ersten Menge keinem, einem oder mehreren Entities der zweiten Menge zuordnen; jedem Element der zweiten Menge kann maximal ein Element der ersten Menge zugewiesen werden (z. B.: Zu einer Warengruppe können kein, ein oder mehrere Artikel gehören; ein Artikel ist genau einer Warengruppe zugeordnet). Bei der M:N-Beziehung steht jedes Element der ersten Menge mit keinem, einem oder mehreren Elementen der zweiten Menge in Beziehung und umgekehrt (z. B.: Ein bestimmter Kunde bestellt keinen, einen oder mehrere Artikel, und ein bestimmter Artikel wird von keinem, einem oder mehreren Kunden bestellt). In einem ERM können beliebig viele Entity- und Beziehungstypen enthalten sein. 1. Entitymenge:

2. Entitymenge:

Beziehungstyp 1:1

Beziehungstyp 1:N

Beziehungstyp M:N

Abb. 3.1.7/1 Arten von Beziehungstypen im Entity-Relationship-Modell

In einem ERM stellt man Entitytypen durch Rechtecke und Beziehungstypen durch Rauten dar. Die Symbole werden durch ungerichtete Kanten verbunden, an denen die Komplexität des Beziehungstyps angetragen wird. Abbildung 3.1.7/2 zeigt einfache Entity-Relationship-Modelle mit unterschiedlichen Entity- und Beziehungstypen.

64

3.1 Daten und Datenbanken Angestellter

Warengruppe

Kunde

1

1

M

hat sind zugeordnet

bestellt

1

N

N

Arbeitsvertrag

Artikel

Artikel

Abb. 3.1.7/2 Beispiele für Beziehungstypen zwischen Entitytypen

Für die ER-Methode wurden zahlreiche Varianten und Erweiterungen vorgeschlagen. Diese präzisieren die Komplexität der Beziehungstypen oder unterscheiden spezielle Ausprägungen der Beziehungstypen [Ferstl/Sinz 01].

3.1.8 Datenbankmodelle Wurde das konzeptuelle Schema modelliert, so muss es anschließend in ein Datenbankmodell transferiert werden. Erfolgte diese Modellierung dabei mittels der ER-Methode, so gibt es für alle gängigen Datenbankmodelle z. T. automatisierte Verfahren, die diese Transformationen vornehmen. Bei den derzeit am Markt existierenden DBS liegen im Wesentlichen das relationale oder das objektorientierte Datenbankmodell zu Grunde. 3.1.8.1

Relationales Datenbankmodell

Das relationale Datenbankmodell nach E. F. Codd [Codd 70] basiert auf der Relationentheorie und damit auf genau festgelegten mathematischen Grundlagen. Das einzig benötigte Strukturelement zur Erstellung eines Datenbankmodells ist die Relation [Date 00]. Relationen lassen sich als zweidimensionale Tabellen mit einer festen Anzahl von Spalten und einer beliebigen Anzahl von Zeilen darstellen. Die Zeilen einer Tabelle werden als Tupel bezeichnet. Ein Tupel entspricht im ERM einem Entity. Jedes Tupel muss einen Schlüssel besitzen, mit dem es identifiziert werden kann (Primärschlüssel). Die Attribute einer Relation werden in den Spalten dargestellt, wobei für sie jeweils ein Wertebereich gegeben ist. Die Abbildung 3.1.8.1/1 zeigt u. a. eine Beispielrelation „Artikel“ mit den Attributen ARTIKEL_NUMMER (als Primärschlüssel unterstrichen), ARTIKEL_NAME, WAREN_GRUPPE und ARTIKEL_PREIS. Aus der Definition einer Relation lässt sich eine Reihe von Eigenschaften ableiten: „ Es gibt keine zwei Tupel in einer Relation, die identisch zueinander sind, d. h., die Zeilen einer Tabelle sind paarweise verschieden. „ Die Tupel einer Relation unterliegen keiner Ordnung, d. h., die Reihenfolge der Zeilen ist irrelevant.

3 Daten, Information und Wissen

65

„ Die Attribute einer Relation folgen keiner Ordnung, d. h., das Tauschen der Spalten verändert die Relation nicht. „ Die Attributwerte von Relationen sind atomar, d. h., sie bestehen aus einer einelementigen Menge. „ Die Spalten einer Tabelle sind homogen, d. h., alle Werte in einer Spalte sind vom gleichen Datentyp. Die oben angesprochene Umsetzung eines ERM in ein relationales Modell kann nach den folgenden Regeln durchgeführt werden [Ullman 95]: „ Ein Entitytyp im ERM wird im relationalen Modell durch eine Relation dargestellt, deren Attribute identisch mit denen des Entitytyps sind. Als Schlüssel übernimmt man den Schlüssel des Entitytyps oder führt einen künstlichen Schlüssel (i. d. R. Nummer) ein. „ Eine Beziehung im ERM wird im relationalen Modell durch eine Relation beschrieben, deren Attribute aus den Schlüsseln (und nicht etwa aus allen Attributen) der beteiligten Relationen im ERM bestehen (vgl. Abbildung 3.1.8.1/1). Diese Attribute können um weitere für die Beziehung relevante Attribute ergänzt werden (vgl. das Attribut „Menge“ in Abbildung 3.1.8.1/1). „ Zur Abbildung einer 1:1-Beziehung kann wahlweise in einer der im ERM beteiligten Entitytypen der Schlüssel des anderen Entitytyps eingetragen werden. „ Eine 1:N-Beziehung stellt man i. d. R. durch Eintragung des Schlüssels des zweiten Entitytypen im ERM im ersten Entitytyp dar. „ Für eine Relation, die aus einer N:M-Beziehung entsteht, nimmt man die Vereinigung der Schlüssel der an der Beziehung beteiligten Entitytypen. Relationale DBS zeichnen sich gegenüber älteren Datenbankmodellen, wie z. B. dem hierarchischen Datenbankmodell, das Daten in baumförmigen Strukturen organisiert, durch eine große Nutzungsflexibilität aus. Sie ermöglichen eine unkomplizierte Variation des Relationenschemas. Attribute können hinzugefügt, verändert oder gelöscht werden, ohne dass AS, die diese Attribute nicht verwenden, geändert werden müssen. Relationale Modelle erlauben vielfältige und einfach durchzuführende Datenmanipulationen und Abfragen. Dadurch ist es auch Benutzern mit geringen Datenbankkenntnissen möglich, Suchanfragen und Auswertungen in einem relationalen DBS vorzunehmen.

66

3.1 Daten und Datenbanken Relation „Artikel”

Relation „Kunde” KUNDEN_NR

081125 732592 002735 773588 345764

KUNDEN_NAME

Kaiser, K. Rainer, P. König, G. Baron, R. Graf, S.

Relation „bestellt”

KDN_WOHNORT

ARTIKEL_NUMMER

ARTIKEL_NAME WAREN_GRUPPE

Aachen München Füssen Crailsheim Berlin

15003 37111 34590 23676 40400

QE 1300 CDP 100 A Sound 7 QE 1700 Quattro B

KUNDEN_NR

081125 732592 002735 345764 773588

ARTIKEL_NR

40400 23676 34590 37111 15003

A B C A D

ARTIKEL_PREIS

598,00 898,60 193,70 715,50 5100,00

MENGE

2 4 1 10 5

Abb. 3.1.8.1/1 Darstellung einer N:M-Beziehung zwischen den Relationen „Kunde“ und „Artikel“ mit Hilfe einer Beziehungsrelation

Mit den hier nur erwähnten, aber nicht erklärten Regeln zur Normalisierung von Relationen (Normalformenlehre) von Codd gelingt es, die Struktur einer Datenbank so zu gestalten, dass die IV-technische Verarbeitung von Daten vereinfacht wird und unerwünschte Abhängigkeiten zwischen den Attributen beim Einfügen, Löschen und Ändern von Daten nicht auftreten. Ansonsten würde die Gefahr redundanter und inkonsistenter Daten bestehen. 3.1.8.2

Objektorientiertes Datenbankmodell

Ein relationales Datenbankmodell hat eine Schwäche: Wie kann ein komplexes Gebilde wie etwa ein Flugzeug oder ein Auto abgebildet werden, das nicht nur einen statischen Aufbau besitzt, sondern darüber hinaus ein eng mit dieser statischen Struktur verbundenes Verhalten aufweist? In einem relationalen System wird alles in der Logik von Tabellen abgespeichert. Ein Auto lässt sich mit allen seinen Eigenschaften und Verhaltensweisen jedoch kaum in diese Form zwängen. Für die statischen Eigenschaften (Farbe, Anzahl der Räder etc.) ist dies zwar noch möglich, solange für jede Eigenschaft eine Spalte in der Tabelle existiert; aber wie sollen die Verhaltensweisen eines Autos (Bremsen, Beschleunigen, Blinken etc.) in einer Tabelle abgelegt werden, vor allem, wenn das Verhalten wiederum von mindestens zwei Werten in den Tabellen abhängig ist? Eine Lösung stellen objektorientierte Datenbankmodelle dar, die seit den 80er Jahren existieren. Im objektorientierten Datenbankmodell werden „Dinge“ als Objekte dargestellt. Jedes Objekt „ hat zu jedem Zeitpunkt ein Verhalten, das durch Operationen ausgelöst wird, die, wie man vereinfacht sagt, „auf dem Objekt ausgeführt“ werden können (z. B. „Eine Auftragsposition wird storniert“).

3 Daten, Information und Wissen

67

„ hat zu jedem Zeitpunkt einen Zustand, der durch die Werte der Attribute des Objektes dargestellt wird (z. B. Adresse, Alter des Mitarbeiters). „ kann an Beziehungen (Referenzen) mit anderen Objekten beteiligt sein (z. B. Mitarbeiter arbeitet an Projekt). Im objektorientierten Modell ist jedes Objekt (z. B. der Mitarbeiter Müller) einem bestimmten Objekttyp (z. B. Mitarbeiter) zugeordnet, so wie im relationalen Modell jedes Entity einem bestimmten Entitytyp angehört. Die Objekttypen werden durch Klassen dargestellt. Eine Klasse beschreibt die Struktur (durch die statischen Attribute) und das Verhalten einer Menge gleichartiger Objekte [Oestereich 01] (vgl. Abbildung 3.1.8.2/1). 1:N-Beziehungen werden durch sog. Aggregate repräsentiert. Diese Aggregate werden z. B. durch eine Raute und ein Dreieck dargestellt (vgl. Abbildung 3.1.8.2/2). Die Raute kennzeichnet dabei das Objekt, das in der 1:NBeziehung die 1 repräsentiert (im Beispiel das Unternehmen); das Dreieck das Objekt, das die N-Komponente der Beziehung wiedergibt (im Beispiel die Abteilung). Durch zwei dieser Aggregate bei beiden beteiligten Objekten (im Beispiel Abteilung und Mitarbeiter) lassen sich auch die in der Unternehmensrealität häufiger vorkommenden N:M-Beziehungen modellieren (vgl. Abbildung 3.1.8.2/2). Kunde Nummer Name Anschrift informieren () kaufen () zurückgeben ()

Klassenname Attribute

Verhalten

Abb. 3.1.8.2/1 Beispiel für eine Klasse

Die Objekte im objektorientierten Modell haben eine Identität, die von ihrem jeweiligen Zustand unabhängig ist und an Hand derer sie sich von allen anderen Objekten eindeutig unterscheiden. In der Regel werden hierfür Zähler verwendet. Ein weiteres wichtiges Merkmal objektorientierter Datenmodelle ist das Vererbungsprinzip. Danach können Klassen hierarchisch angeordnet werden und dabei die Eigenschaften der ihnen übergeordneten Klassen übernehmen („erben“).

68

3.1 Daten und Datenbanken besteht aus

Unternehmen 1

1...*

Abteilung

1:N-Beziehung besteht aus

Abteilung 1...*

1...*

N:M-Beziehung

Mitarbeiter

arbeitet für

Abb. 3.1.8.2/2 Beispiele für Aggregationen [Oestereich 01]

Objektorientierte Datenbanken haben gegenüber relationalen Datenbanken zwei wesentliche Vorteile: Wird an einem Objekt A etwas manipuliert und hat dies Auswirkungen auf Objekte, die mit diesem Objekt A in Beziehung stehen, so werden diese Auswirkungen automatisch auf der Basis der zu Grunde liegenden Referenzen ausgeführt. Außerdem kann jedes Objekt zwar an mehreren Beziehungen beteiligt sein, ist aber nur genau einmal in der Datenbank vertreten. Dadurch lassen sich Datenredundanzen vermeiden. Weitere Vorteile sind die bessere Wiederverwendbarkeit und die höhere Anschaulichkeit. Auf Grund dieser Vorteile und der Tatsache, dass sich komplexe Strukturen, wie sie immer häufiger auftreten (z. B. Multimedia-Datenbanken, CAD; siehe Abschnitt 4.1.2.1), besser auf objektorientierte Datenmodelle abbilden lassen, gewinnen objektorientierte Datenbanken eine immer größere Bedeutung. In jüngster Zeit gibt es auf dem Markt auch die sog. objektrelationalen Datenbanken. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um relationale Datenbanken, die um objektorientierte Komponenten erweitert wurden.

3.1.9 Implementierung und Abfragemöglichkeiten für Datenbanksysteme In Abhängigkeit des zu Grunde liegenden Datenmodells bieten sich unterschiedliche Datenbanksprachen und Methoden an, mit deren Hilfe der Anwender die Datenbank erzeugen sowie Abfragen und Änderungen vornehmen kann. Diese Methoden sind vor allem dann von Bedeutung, wenn der Benutzer direkt mit dem DBMS kommunizieren soll, d. h. kein Anwendungsprogramm zur Verfügung steht, das den Datentransfer selbstständig übernimmt. Die wohl bekannteste und am weitesten verbreitete deklarative (siehe Abschnitt 2.2.1.2) Abfragemethode für relationale DBS ist die Structured Query Language (SQL). SQL stellt Befehle zur Verfügung für „ die Erstellung von Datenbanken (SQL als DDL), „ die Formulierung von Abfragen (SQL als QL) und „ die Durchführung von Veränderungen von Tabellen in einer relationalen Datenbank (SQL als DML).

3 Daten, Information und Wissen

69

Die Grundform einer SQL-Abfrage lautet [dies ist ein Kommentar]: „ select A1, ...An [welche Attribute, z. B. Kundennr., Name] „ from R1, ...Rn [aus welchen Relationen, z. B. Relation Kunde] „ where x=...; [unter welchen Bedingungen, z. B. Kundenort = München] Für komplexere Abfragen lassen sich verschiedene Relationen miteinander verknüpfen (z. B. die Relationen Kunde und Verkauf). Zudem stellt SQL weitere Gruppierungs- (group by ...; z. B. Gruppierung nach Kunden, die ein bestimmtes Produkt gekauft haben) und Sortierfunktionen (order by ...; z. B. nach Kundennummern) zur Verfügung. Erforderlich für die Nutzung von SQL, ob nun direkt oder integriert in ein Anwendungsprogramm (embedded SQL), sind Grundkenntnisse in der Programmierung. Deshalb ist SQL trotz aller Flexibilität, die dem Nutzer dabei zur Verfügung steht, u. U. nicht geeignet für den direkten Einsatz am Arbeitsplatz, erfahrungsgemäß insbesondere dann, wenn Änderungen an der DB vorzunehmen sind. Eine andere Möglichkeit der relationalen Datenbankrecherche bietet Query-by-Example (QBE). In einer dem Benutzer vorgelegten Mustertabelle werden von diesem einzelne Felder mit Werten ausgefüllt, andere freigelassen. Das System berücksichtigt dann bei der Suche die vom Anwender vorgegebenen Feldinhalte und belegt die leeren Felder mit passenden Inhalten aus der Datenbank. Im Bereich objektorientierter Datenbanken steht i. d. R. die Kommunikation mit einem Anwendungsprogramm im Vordergrund. Da diese Datenbanken primär mit dem Ziel entwickelt wurden, die in einem objektorientierten Anwendungsprogramm verwalteten Objekte über das Ende des Programmlaufs hinweg zu speichern, wurde der Einführung und Standardisierung einer interaktiv nutzbaren Abfragesprache bislang verhältnismäßig wenig Beachtung geschenkt. Eine Ausnahme bildet die Object Query Language (OQL), die analog zu SQL eine Selektion von Objektmengen anhand beliebiger, vorzugebender Kriterien erlaubt.

3.2

Vernetzte Datenbanken

Bisher wurde von einer zentralen Datenorganisation ausgegangen. Sofern Unternehmen aber z. B. auf mehrere Standorte verteilt sind, empfiehlt sich mitunter eine dezentrale Datenhaltung, bei der Daten an den Orten verwahrt werden, an denen sie entstehen oder benötigt werden oder an welchen ihre Aufbewahrung technisch-organisatorisch günstig ist. Die dezentrale Datenorganisation in verteilten Datenbanken kann die Kosten des Datentransportes senken und die Antwortzeiten bei Datenbankanfragen reduzieren. Abschnitt 3.2.1 erläutert die Besonderheiten von verteilten Datenbanken. Das DataWarehouse (siehe Abschnitt 3.2.2) fasst die Daten aus verschiedenen, ver-

70

3.2 Vernetzte Datenbanken

netzten Datenbanken zusammen und bietet Werkzeuge, diese für unternehmerische Entscheidungsprozesse auszuwerten.

3.2.1 Verteilte Datenbanksysteme Prinzipiell ist die Drei-Ebenen-Architektur für Datenbanken (siehe Abschnitt 3.1.6) auch auf verteilte Datenbanken anwendbar, bei denen die Daten auf vernetzten und miteinander kommunizierenden Rechnerknoten an verschiedenen Orten gehalten werden (vgl. Abbildung 3.2.1/1). Dies impliziert, dass jedem Standort ein lokales internes Schema und ein lokales konzeptuelles Schema zugeordnet werden kann. Das globale konzeptuelle Schema, das an jedem Standort bekannt ist, wird über ein globales Verteilungsschema in die lokalen Schemata zerlegt. Sicht/Subschema A Sicht/Sub

Sicht/Subschema B

...

Sicht/Subschema K

Globales Schema /globale abstrakte Datenbank (konzeptuelles Schema)

Globales Verteilungsschema

Lokales konzept . Schema 1

Lokales konzept. Schema 2

Lokales konzept . Schema 3

Lokales internes Schema 1

Lokales internes Schema 2

Lokales internes Schema 3

Lokales konzept. Schema n

...

Lokales internes Schema n

Physische ysische Datenbanken

Abb. 3.2.1/1 Drei-Ebenen-Architektur von verteilten Datenbanksystemen

Während sich folglich die interne Ebene und die externe Ebene nur kaum vom ANSI/SPARC-Modell unterscheiden, fällt der konzeptuellen Ebene hier noch zusätzlich die Aufgabe der Aufteilung in lokale konzeptuelle Schemata zu. Über die Anforderungen hinaus, die an ein DBS nach ANSI/SPARC (siehe Abschnitt 3.1.6) gestellt werden, soll ein verteiltes DBS nach C. J. Date [Date 00] nachfolgende Bedingungen erfüllen: „ Lokale Autonomie: Jeder Rechner soll ein Maximum an Kontrolle über die bei ihm gespeicherten Daten haben, der Zugriff auf die Daten also nicht von anderen Systemen abhängig sein.

3 Daten, Information und Wissen

71

„ Keine zentralen Knoten: Um Leistungsengpässe zu vermeiden, soll nicht auf zentrale Systemfunktionen zugegriffen werden müssen; alle Knoten sind gleichberechtigt. „ Unterbrechungsfreier Betrieb: Der Datenbankbetrieb soll auch bei Ausfall eines Knotens nicht vollständig unterbrochen werden. Außerdem ist die Möglichkeit zu eröffnen, während des Datenbankbetriebes Konfigurationsänderungen durchzuführen oder Software-Updates aufzuspielen. „ Standortunabhängigkeit (oder auch: Ortstransparenz): Der Benutzer soll nicht darüber informiert sein müssen, an welchem Knoten seine Daten physisch gespeichert sind. „ Fragmentierungsunabhängigkeit: Es soll möglich sein, Teilmengen von Tupeln und Teilmengen von Attributen einer Relation an verschiedenen Orten abzulegen. Dadurch lassen sich Daten an den Orten speichern, an denen sie am meisten nachgefragt werden. „ Replizierungsunabhängigkeit: Dem Benutzer soll verborgen bleiben, ob seine Daten mehrfach (repliziert) in der Datenbank vorhanden sind. Das bedeutet: Es ist die Aufgabe des DBMS, dafür zu sorgen, dass bei Aktualisierungen evtl. Daten mehrfach geändert werden müssen, um keine Inkonsistenzen entstehen zu lassen. „ Verteilte Query: Es soll möglich sein, innerhalb einer DB-Anfrage Daten von mehreren Knoten zu erhalten. „ Hardware-, Betriebssystem- und Netzwerkunabhängigkeit: Das Datenbanksystem soll unabhängig von Hardware, Betriebssystemen und Netzwerk einsetzbar sein. „ DBMS-Unabhängigkeit: Es muss nicht auf allen Knoten das gleiche DBMS laufen. Ein verteiltes DBMS koppelt verschiedene DBMS in den Knoten.

3.2.2 Data-Warehouse Der Schwerpunkt der heute gängigen DBS liegt in der Automatisierung und Kontrolle von Funktionen und Prozessen (horizontale Integration in der Wertschöpfungskette, vgl. Abbildung 1.2.1/1). Hierzu kommen die bislang beschriebenen strukturierten Datenbanken zum Einsatz, die zu jedem Zeitpunkt einen aktuellen Zustand des Unternehmens repräsentieren, also z. B. den momentan gültigen Auftragsbestand. Zur Entscheidungsfindung in der Unternehmensführung werden jedoch auch Daten über einen größeren Unternehmensausschnitt sowie über einen längeren Zeitraum und auch Daten aus dem Unternehmensumfeld benötigt. Zudem wird häufig verlangt, dass ein aktueller, operativer Zustand „archiviert“ wird, also der Datenbestand für längere Zeit unveränderlich bleibt, etwa zum Zwecke weiterführender Datenanalysen. Diese Aufgaben über-

72

3.2 Vernetzte Datenbanken

nimmt das Data-Warehouse, in dem die Daten gesammelt und aufbereitet werden. Im Gegensatz zu den Daten der operativen Datenbanken, die größtenteils Momentaufnahmen des aktuellen Geschehens darstellen, dienen die Daten in einem Data-Warehouse u. a. dem Zeitvergleich und der Analyse von Entwicklungen. Daher müssen ihre Schlüssel bei Übernahme der Daten aus den operativen DBS immer eine Zeitkomponente erhalten, d. h., sie sind zeitabhängig und auf Grund der Nicht-Volatilität der Daten wird ein einmal in ein Data-Warehouse aufgenommenes Datum nicht mehr verändert oder überschrieben; allerdings kann es je nach Nutzungskonzept gelöscht werden. Basis für ein Data-Warehouse sind interne Datenbanken, welche die erforderlichen operativen Daten enthalten, sowie weitere externe Datenbanken und Informationsquellen. Sind die zu Grunde liegenden Datenmengen der operativen Datenbanken in unterschiedlichen Formaten über eine Vielzahl isolierter IV-Systeme verstreut, müssen sie noch entsprechend transformiert werden, damit sie integriert werden können. Ein Data-Warehouse lässt sich somit definieren als eine Sammlung von integrierten, zeitabhängigen und nicht-volatilen Daten, aus denen Informationen für Managemententscheidungen gewonnen werden. Daher wird das DataWarehouse auch häufig als Information-Warehouse bezeichnet. Die drei Grundkomponenten eines Data-Warehouse sind Datenmanagement, Datenorganisation und Auswertung/Aufbereitung (vgl. Abbildung 3.2.2/1). Das Datenmanagement beschäftigt sich mit der Datenbereitstellung und der Transformation der Daten. Die Daten der operativen Datenbanken werden dazu in zyklischen Abständen in aufbereiteter Form (selektiert und transformiert) in den Datenbestand des Data-Warehouse übernommen. Neben diesen internen Daten kommen i. d. R. aber noch externe Daten hinzu, wie sie z. B. aus der Marktforschung gewonnen werden. In neueren Systemen werden z. T. auch qualitative Informationen gespeichert, wie z. B. verbale Kommentare zu einer bemerkenswerten Entwicklung in Zeitreihendaten. In der Datenorganisation wird beschrieben, wie mit den Daten physisch und logisch zu verfahren ist. Es werden also Fragen zur Form der Speicherung und des Zugriffs geklärt. Das dritte Grundelement des Data-Warehouse ist die Auswertung/Aufbereitung, die sich verschiedener Hilfsmittel und Methoden bedient. Beispiele sind statistische Methoden zum Erkennen von Zusammenhängen und Mustern in großen heterogenen Daten- und Textmengen (Data- bzw. TextMining, Visualisierung und OLAP (siehe Abschnitt 3.3.1)). Abfragen sollen dabei möglichst in natürlicher Sprache formuliert werden können, um eine aufwändige Einarbeitung der Mitarbeiter zu vermeiden.

3 Daten, Information und Wissen

73

EIS Datenbereitstellung - Primärdaten - Externe Daten Transformation

Data-Mining Data Mining Data-Warehouse Data Warehouse

Datenvisualisierung Individuelle Anwendung

Metadaten Transformation Datenorganisation physikalisch und logisch Datenmanagement d.h. Zugang und Umformung

Auswertung/ Aufbereitung

Abb. 3.2.2/1 Aufbau eines Data-Warehouse

3.3

Gewinnung von Informationen

Die Auswertung von Daten führt zur Gewinnung entscheidungsrelevanter Informationen. Die Daten können in internen operativen Datenbanken bzw. einem Data-Warehouse gespeichert sein (siehe Abschnitt 3.3.1) oder auch in externen Datenbanken etwa über das Web zur Verfügung stehen (siehe Abschnitt 3.3.2). Darüber hinaus stellen Planungs-, Kontroll- und Wissensmanagementsysteme wichtige Quellen zur Gewinnung entscheidungsrelevanter Informationen (siehe Abschnitt 3.3.3) dar.

3.3.1 Data-Mining und OLAP Das wichtigste Werkzeug der Auswertung und Aufbereitung im DataWarehouse ist das Data-Mining [Schweizer 99]. Data-Mining zielt z. B. auf die Analyse des Datenbestandes, um Beziehungen der Daten untereinander aufzudecken, die bis dato noch nicht erkannt wurden. Das Data-Mining stellt einen sehr komplexen Vorgang dar. Typische Verfahren des Data-Mining sind Entscheidungsbaumverfahren, Assoziationsanalysen, Clusteranalysen sowie künstliche neuronale Netze. Eine weitere wichtige Technologie für die Auswertung der Data-Warehouse-Daten ist das Online-Analytical-Processing (OLAP). Mit Hilfe von OLAP lässt sich eine mehrdimensionale Analyse durchführen. Voraussetzung ist die Bildung eines sog. OLAP-Würfels, der die relevanten Dimensionen abdeckt. Hängen die Verkaufszahlen im Quartal z. B. von den Dimensionen

74

3.3 Gewinnung von Informationen

Produkt, Region und Zeitraum (etwa Monatsgliederung) ab, so bilden diese Dimensionen den OLAP-Würfel (vgl. Abbildung 3.3.1/1). Mit Hilfe dieses OLAP-Würfels lässt sich so näher analysieren, welche Produkte in welcher Region und in welcher Saison gekauft wurden. Mittlerweile existiert eine Vielzahl von Softwarelösungen mit OLAP-Funktionalitäten. Voraussetzung ist die Bildung der relevanten Dimensionen in Abhängigkeit der zu Grunde liegenden Fragestellung. Im Vergleich zu klassischen Datenbankanfragen führen OLAP-Würfel insofern zu tendenziell differenzierteren Aussagen und Informationen. Somit bildet die mehrdimensionale Sichtweise auf Daten betriebswirtschaftliche Fragestellungen besser ab. Ein weiterer Vorteil besteht in den kürzeren Antwortzeiten, da während belastungsniedriger Zeiten die in den Würfeln gespeicherten Daten vorab erstellt werden und daher im Abfragefall aufwändige Datenbankauswertungen entfallen. Multidimensionaler "Datenwürfel" P1 P2 Umsatz Absatz Potenziale ...

P3 ... ... Ost Mitte Süd

Produkt

Region

Jan. Feb. März ...

Zeit

Differenzierte Auswertung: Controlling/Marketing: Welche Umsätze in Abhängigkeit von Region und Zeit? Produktmanagement: Welche Produkte in Abhängigkeit von Region und Zeit? Regionalmanagement: Welche Produkte wurden gekauft und welche Potenziale existieren?

Abb. 3.3.1/1 OLAP-Würfel

3.3.2 Externe Datenbanken und World Wide Web Häufig benötigt man für unternehmerische Entscheidungen auch Daten bzw. Informationen, die nur extern verfügbar sind (z. B. über Konkurrenten, Märkte, wissenschaftlich-technische, rechtliche und politische Entwicklungen). Geeignete Informationsquellen dazu sind das Web sowie externe Datenbanken [Mertens/Griese 02]. Diese werden normalerweise im Dialog verwendet. Eine große Verbreitung haben diese Datenbanken vor allem in den Bereichen Wissenschaft, Technik, Wirtschaft, Recht und Patentangelegenheiten erlangt. Die Nutzung der gespeicherten Datenbestände ist in aller Regel kostenpflichtig und erfordert mitunter bestimmte technische Voraussetzungen zur Datenübertragung. Prinzipiell zu unterscheiden sind Volltext- und Referenzdatenbanken. Während in Ersteren die gesamten Dokumente (Daten) verfügbar sind, enthalten Letztere nur bibliographische Hinweise, Schlag- oder Stichwörter und gelegentlich Kurzfassungen der gesuchten Texte.

3 Daten, Information und Wissen

75

Unabhängig von dieser Unterscheidung bieten externe Datenbanken ihre Datenbestände i. d. R. in heterogener Form, d. h. nicht in einer bestimmten Struktur (siehe Abschnitt 3.1.6), an. Daher sind zur Wiedergewinnung von Informationen sog. Information-Retrieval-Systeme erforderlich, die v. a. die physische Organisation von unformatierten Daten unterstützen. Die Recherche nach bestimmten Dokumenten erfolgt anhand definierter Deskriptoren (Bezeichnungen zur Beschreibung von Texten; z. B. Autorennamen oder Schlagwörter) und deren logischer Verknüpfung (z. B. durch „und“ bzw. „oder“). Beispiel: „Es sind alle Aufsätze, die der Autor Huber über Kostenrechnung in der Pharmaindustrie verfasst hat, herauszusuchen“; dafür müssen die Deskriptoren „Huber“, „Kostenrechnung“, und „Pharmaindustrie“ durch UND verknüpft werden. Sind neben Abhandlungen über die Pharmaindustrie auch solche über Chemieindustrie erlaubt, so werden die Deskriptoren „Pharmaindustrie“ und „Chemieindustrie“ durch ein ODER verbunden. Werden bei einer Suche zu viele Quellen gefunden, so müssen statt der u. U. zu allgemein formulierten Deskriptoren (z. B. „Kostenrechnung“) spezifischere Beschreibungswörter (z. B. „Teilkostenrechnung“) oder zusätzliche, einschränkende Deskriptoren (etwa „seit 1990“) verwendet werden. Auch das Web lässt sich als verteilte Datenbank interpretieren. Basis ist eine Sammlung unformatierter Daten, die z. T. miteinander vernetzt und „anarchisch“ organisiert sind. Es gibt kein globales konzeptuelles Schema und auch keine Subschemata. Allerdings erlauben bestimmte Dienste und Werkzeuge in eingeschränkter Weise, das Web wie eine Datenbank bei der Recherche nach Daten und Informationen zu nutzen. Für das gezielte Auffinden von Informationen im Web stehen Suchmaschinen (Search-Engines) zur Verfügung, mit deren Hilfe eine Schlagwortsuche möglich ist. Prominente Beispiele sind AltaVista oder Google. Suchmaschinen bestehen i. d. R. aus drei Komponenten: dem Spider bzw. Crawler, der die Webseiten regelmäßig analysiert, dem Index oder Katalog, der die gefundenen Webseiten und Schlagwörter speichert, sowie der Suchsoftware, die die Fragen analysiert und im Katalog nach passenden Seiten und Schlagworten sucht. Die Suche erfolgt dabei unterschiedlich: entweder nach Volltext, nach Schlagwörtern oder nach vom Verfasser der WWW-Seite eingegebenen Meta-Tags in HTML-Dokumenten. Bei den Meta-Tags handelt es sich um einen Bereich des HTML-Dokuments, der Informationen über das HTML-Dokument enthält. Hierzu gehören z. B. Angaben über den Verfasser, das Datum der Erstellung oder relevante Schlüsselwörter. Eine Besonderheit weist hier die Suchmaschine Google auf. Sie bewertet sowohl die Anzahl der Links auf eine Seite als auch die Qualität dieser Links. Ein Link von IBM zählt mehr als ein Link von einer privaten Homepage. Einen Schritt weiter gehen sog. Meta-Search-Engines (wie z. B. MetaCrawler), die eine Rechercheanfrage gleichzeitig an mehrere Suchwerkzeuge weiterleiten.

76

3.3 Gewinnung von Informationen

Ein Problem der allgemeinen Suchmaschinen stellt die Aufbereitung der zu einem Schlagwort gefundenen zahlreichen und oft unüberschaubaren Anzahl von Treffern dar. Da das Ranking der Treffer in Abhängigkeit des Interesses des Fragenden sehr komplex ist, werden themenspezifische Suchmaschinen angeboten. Beispiel ist die Firma CNet, die in ihrem Portal eine Suchmaschine für den Bereich Informationstechnik offeriert. Durch den Einsatz von XML-basierten Auszeichnungssprachen (siehe Abschnitt 2.5.2) wie RDF (Resource Description Framework) eröffnen sich bessere Bewertungsmöglichkeiten von Treffern, da derart beschriebene Dokumente auch inhaltliche (semantische) Informationen enthalten. Bezieht sich z. B. eine Suchanfrage nach dem Schlagwort Golf auf das Auto, könnten die Suchmaschinen alle Treffer aussortieren, die z. B. die Sportart Golf referenzieren. Die Semantic Web-Initiative des WWW-Konsortiums entwickelt derzeit die notwendigen Standards, um künftig den Inhalt möglichst vieler Webseiten maschinenlesbar zu machen und damit SQL-ähnliche Abfragen im gesamten Web zu ermöglichen. Ein weiteres Problem für Suchmaschinen stellt die Tendenz zum Anbieten dynamischer Webseiten dar. Während bei statischen Seiten die Informationen fest in HTML bzw. XML programmiert sind, werden sie im dynamischen Fall erst bei Aufruf der Seite vom Webserver aus einer Datenbank extrahiert. Dies hat den Vorteil, dass man immer aktuelle Daten erhält. Die Anbindung an die Datenbank erfolgt über eine entsprechende Schnittstelle. Zur Umsetzung von dynamischen WWW-Seiten stehen Techniken wie Active Server Pages (ASP), Common Gateway Interface (CGI) sowie Hypertext Preprocessor (PHP) zur Verfügung (siehe Abschnitt 2.5.2). Suchmaschinen sind häufig in Portale eingebunden. Ein Portal ist eine Webseite, auf der – bezogen auf einen Themenbereich oder ein Unternehmen – ein breites Spektrum von Informationen, Diensten und Hilfsmitteln zur Verfügung gestellt wird (z. B. allgemeine Webportale wie Yahoo und T-Online oder Unternehmensportale). Neben Suchmaschinen, E-Mail und kundenbezogenen Diensten sind dies z. B. Nachrichten, Diskussionsforen sowie Börsen- und Archivinformationen. Ziel von Portalen ist es, den Kundenkontakt zu erleichtern, den Kunden zu binden und von Webbenutzern möglichst als Einstiegsseite zum Web verwendet zu werden.

3.3.3 Planungs- und Kontroll- sowie Wissensmanagementsysteme Unternehmensbezogene Daten sind nicht nur in internen bzw. externen Datenbanken enthalten. Auch andere Systeme und Prozesse erzeugen eine Vielzahl von Daten, die zur Gewinnung entscheidungsrelevanter Informationen herangezogen werden können. Dies gilt v. a. für Planungs- und Kontrollsysteme (siehe Abschnitt 3.3.3.1) und Knowledge-Management-Systeme (siehe Abschnitt 3.3.3.2). Zur Auswertung dieser Systeme eignen sich u. a. Metho-

3 Daten, Information und Wissen

77

den der Künstlichen Intelligenz und des Operations Research (siehe Abschnitt 3.3.3.3). 3.3.3.1

Planungs- und Kontrollsysteme

In umfassenden und integrierten Administrationssystemen stehen zahlreiche Daten aus allen betrieblichen Bereichen zur Verfügung, die sich zur Gewinnung von Managementinformationen nutzen lassen. Dies gilt v. a. für Planungs- und Kontrollsysteme (PuK-Systeme). Abbildung 3.3.3.1/1 enthält die wichtigsten Merkmale, die im Folgenden soweit erforderlich erläutert werden. Berichte in PuK-Systeme können an bestimmten Zeitpunkten oder beim Auftreten bestimmter Abweichungen generiert werden. Hier spricht man auch von daten- oder signalgetriebenen Systemen. Beispiel sind Frühwarnsysteme, bei denen beim Auftreten vorher festgelegter Indikatoren das Management informiert wird. Die Berichterstattung kann auf einzelne Personen (insbesondere Führungskräfte) oder auf eine Gruppe von Benutzern zugeschnitten sein. Im erstgenannten Fall stellt das PuK-System ein Management-Support-System bzw. Management-Information-System dar. Bei Gruppenentscheidungsunterstützungssystemen kommuniziert eine Gruppe von Benutzern untereinander und mit dem Computer. Als Präsentationsform dominieren Tabellen. Moderne Berichtsgeneratoren gestatten die automatische Aufbereitung des Zahlenmaterials in Grafiken. Anspruchsvoller ist die Aufgabe, aus den Zahlenkonstellationen heraus mit Hilfe der Expertensystemtechnik (siehe Abschnitt 3.3.3.3) verbale Berichte abzuleiten. Systeme, bei denen analysiertes Datenmaterial in Gutachten (Expertisen) zusammengestellt wird, bezeichnen wir als Expertisesysteme. Ist die Abfrage standardisiert, muss zumindest der Typ der Abfrage bereits bei der Systemplanung bekannt sein. Bei Abfragesystemen mit freier Recherche verwendet der Benutzer Deskriptoren (siehe Abschnitt 3.3.2). Beim Einsatz von Pull-Verfahren (passiv) holt sich der Benutzer die benötigten Informationen. Das System verwendet Push-Methoden, um zu bestimmen, wann welche Fach- und Führungskräfte verständigt werden sollen (aktive Führungs- bzw. Management-Informationssysteme). In einfachen Führungsinformationssystemen werden nur Daten geliefert. Viele PuK-Systeme stellen auch Entscheidungshilfen. Methoden der Künstlichen Intelligenz bieten sich bei schlecht strukturierten, aber gut abgrenzbaren Problemen an. Mitunter ist es zweckmäßig, Alternativen mit Hilfe von Simulationen zu untersuchen. Durch What-if-Rechnungen lassen sich die Auswirkung einer quantifizierbaren Maßnahme abschätzen. Bei How-to-achieve- bzw. Ziel-

78

3.3 Gewinnung von Informationen

rechnungen werden verschiedene Maßnahmen untersucht, mit denen dieses Ziel erreicht werden könnte. Auslöser

Signale/ Datenkonstellationen

Adressatenzahl Adressatenhierarchie Informationsherkunft

Kalendertermine

Benutzerwünsche

Einzelpersonen Untere Führungsebenen

Entscheidungsbedarfe

Gruppen Mittlere Führungsebenen

Obere Führungsebenen

Interne Quellen

Externe Quellen

Informationsart

Quantitative Informationen

Qualitative Informationen

Präsentationsform

Meldungen

Abfragemodus Informationsdistribution Entscheidungsmodell

Simulation

Tabellen

Grafiken

Verbale Berichte

Expertisen

Standardabfragen

Freie Abfragen

Pull-Verfahren

Push-Verfahren

Nicht vorhanden

EntscheiEntscheiEntscheidungsmo- dungsmodell mit dungsmodell dell mit Operationsmit Methoden der KI statistischen ResearchMethoden Methoden

Nicht simulativ

What-ifRechnungen

How-to-achieveRechnungen

Abb. 3.3.3.1/1 Morphologischer Kasten (in Anlehnung an [Mertens/Griese 02])

3.3.3.2

Wissensmanagementsysteme

Wissensmanagementsysteme (Knowledge-Management-Systeme, KMS) integrieren das im Unternehmen i. d. R. weit verstreute artikulierbare Wissen (z. B. in Datenbanken, Akten, der Prozessdokumentation und den Köpfen der Mitarbeiter; siehe auch Abschnitt 3.4) und beziehen dabei auch das sog. Metawissen (Wissen über das Wissen) mit ein. Dazu werden Funktionen und Prozesse zur Entwicklung, Darstellung, Verwaltung, Transformation und Veredelung des Wissens festgelegt und unterstützt. Voraussetzung ist, dass das in unterschiedlichen Repräsentationsformen vorliegende relevante Wissen sowie die dazugehörigen Metainformationen unternehmensweit und anwendungsunabhängig gespeichert werden. Dies kann z. B. in einem über das Intranet zugreifbaren Data-Warehouse (siehe Abschnitt 3.2.2) oder in einem Intranet erfolgen. Wesentlich ist, das KMS ständig zu aktualisieren und es für die Berechtigten leicht zugänglich zu machen. Sie sollen neben dem Auffin-

3 Daten, Information und Wissen

79

den von relevanten Inhalten auch den Kontakt mit Wissensträgern und Experten (über Expertendatenbanken) unterstützen. KMS finden sich heute in vielen Branchen, vor allem im Bereich von Forschung und Entwicklung, Beratung sowie Vertrieb komplexer Systemlösungen. 3.3.3.3

Methoden zur Auswertung

Zur Auswertung von Data-Warehouses, KMS und PuK-Systemen eignen sich unterschiedliche Methoden. Zu den wichtigsten zählen Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) sowie Verfahren des Operations Research (OR). Zur KI zählen v. a. Expertensysteme (XPS) oder wissensbasierte Systeme (WBS). Sie zielen darauf ab, Spezialistenwissen menschlicher Fachleute in der Wissensbasis eines Computers abzuspeichern und für eine Vielzahl von Problemlösungen zu nutzen. Das Wissen wird meist in Form von WennDann-Beziehungen (Produktionsregel) niedergelegt. Beispiel: WENN Kunde Klimaanlage UND Schiebedach UND elektrische Fensterheber wünscht, DANN stärkere Batterie erforderlich. Wesentliches Charakteristikum ist die Trennung von Wissensbasis und Problemlösungskomponente. Letztere „durchwandert“ unter Berücksichtigung des zu Grunde liegenden Wissensbedarfs die Wissensbasis und verfolgt die oft komplizierten Verknüpfungen von Regeln, bis das System einen Problemlösungsvorschlag erarbeitet hat oder herausfindet, dass keiner existiert. Die Erklärungskomponente erläutert die gewonnene Empfehlung bzw. Entscheidung. Zu den wichtigsten Methoden des Operations Research zählen die Lineare Programmierung, Verfahren der mathematisch-statistischen Vorhersage, die z. B. bei der Absatz-, Lagerabgangs- und Liquiditätsprognose wichtig sind, sowie Simulationen. Typische Anwendungsfelder sind die Untersuchung alternativer Möglichkeiten in der Werkstattsteuerung (siehe Abschnitt 4.1.6.7) und die Lieferplanung (siehe Abschnitt 4.4.3). OR-Methoden und statistische Verfahren werden nicht für jeden Verwendungszweck neu programmiert, sondern als Programmmodule in einer Methodenbank (siehe Abschnitt 3.1.3) abgelegt.

3.4

Wissen und Wissenstransfer

Wissen ist personenbezogen und entsteht durch die Interpretation und Verarbeitung von gewonnenen Informationen vor dem Hintergrund der individuellen Erfahrungen und Kenntnisse. Gelingt es, das entstehende Wissen in für den Kunden wertschöpfende Prozesse, Produkte und Serviceangebote umzusetzen, so hat dieses Wissen einen ökonomischen Wert.

80

3.4 Wissen und Wissenstransfer

Umso wichtiger ist es aus Unternehmenssicht, dieses Wissen zu speichern und allgemein z. B. in KMS zugänglich zu machen (siehe Abschnitt 3.3.3.2). Dies ist schwierig, denn fehlende Motivation zur Weitergabe des Wissens sowie Schwierigkeiten bei dem Prozess der Übertragung von Wissen (etwa Probleme bei der Artikulation des Wissens beim Wissensträger, Störungen bei der Übertragung der Informationen zum Empfänger sowie Schwierigkeiten bei der Verarbeitung der Informationen zu Wissen auf Seiten des Empfängers) erschweren den Prozess des Wissenstransfers. Daher müssen sich Unternehmen klar darüber werden, welche Wissensarten zu Grunde liegen (siehe Abschnitt 3.4.1) und welche Strategien bzw. technischen Methoden des Wissenstransfers in Abhängigkeit von den verwendeten Wissensarten sinnvoll sind (siehe Abschnitt 3.4.2).

3.4.1 Wissensarten Zu unterscheiden sind implizites/explizites sowie transferierbares/nicht transferierbares Wissen. Explizites Wissen lässt sich in Worte fassen (z. B. Wissen über die Durchführung einer Mailingaktion), während implizites (auch: tazites) Wissen personen- und kontextspezifisch ist und sich daher schwer formalisieren und artikulieren lässt (z. B. Wissen über die Bewältigung schwieriger Verhandlungssituationen oder über die Installation eines AS). Während explizites Wissen transferier- und artikulierbar sowie prinzipiell speicherbar ist, gilt dies für implizites Wissen nur zum Teil. Die Weitergabe von implizitem Wissen ist nur dann möglich, wenn es gelingt, implizites Wissen zu externalisieren (Beschreibung von implizitem Wissen als explizites Wissen) oder durch Demonstration oder Nachahmung unmittelbar weiterzugeben. Ein Beispiel ist der Systemadministrator, der einen Teil seines taziten Wissens beschreiben kann (Externalisierung) und z. B. die Kenntnis über die Neu-Installation des Servers durch Demonstration anderen weitergibt. Ein Teil seines Wissens und seiner Erfahrungen bleibt jedoch intuitiv und lässt sich nicht übertragen.

3.4.2 Strategien und Methoden des Wissenstransfers Die zu Grunde liegende Wissensart entscheidet über die Auswahl einer geeigneten Transferstrategie. Prinzipiell lassen sich die Kodifizierungsstrategie (für explizites Wissen) und die Personalisierungsstrategie (für implizites Wissen) unterscheiden. Die Kodifizierungsstrategie sieht die Beschreibung, Speicherung und Verteilung von Wissensinhalten auf der Basis von Informationssystemen (z. B. KMS,siehe Abschnitt 3.3.3.2) vor. Sie setzt auf die Generierung und Pflege von Wissensinhalten sowie eine möglichst häufige Wiederverwendung dieser Inhalte ohne aufwändige Modifikationen. Vorteil der Kodifizierungsstrategie

3 Daten, Information und Wissen

81

ist die hohe Skalierbarkeit; einmal kodifiziertes Wissen lässt sich beliebig oft transferieren. Ziel der Personalisierungsstrategie ist die Vernetzung von Wissensträgern, um tazites Wissen auszutauschen und weiter zu entwickeln. Das transferierte Wissen wird hier nicht kopiert. Es dient vielmehr als Ausgangspunkt für die situationsspezifische Anpassung eigener Erkenntnisse. Beispiel sind die Mitarbeiter einer Forschungs- und Entwicklungsabteilung, bei denen der Austausch von Wissen und dessen Weiterentwicklung durch persönlichen Kontakt im Vordergrund stehen. Auch die Open-Source-Entwicklung von Software lässt sich hier einordnen. Voraussetzung für Personalisierungsstrategien ist somit die Einrichtung von organisatorisch-technischen Plattformen, auf deren Basis Wissensträger miteinander kommunizieren können. So kommen etwa Expertenverzeichnisse, Methoden der Übermittlung sprachlicher und visueller Informationen mit sofortigem Feedback und multimediale Berichte und Dokumente (vgl. Abbildung 3.4.2/1) zum Einsatz. Face-to-Face

Videokonferenz

Telefonkonferenz Telefonat

Personalisierung

E -Mail Multimediale Berichte Dokumente Dokumente

Kodifizierung

Abb. 3.4.2/1 Methoden des Wissenstransfers [Thiel 02]

In vielen praktischen Situationen lassen sich Kodifizierungs- und Personalisierungsstrategien kombiniert einsetzen (z. B. Vorbereitung eines Kundenkontakts durch Rückgriff auf elektronische Archive und durch Gespräche mit Erfahrungsträgern).

3.5

Literatur zu Kapitel 3

Chen 76

Codd 70

Chen, P. P., The Entity-Relationship Model: Towards a Unified View of Data, ACM Transactions on Database-Systems 1 (1976) 1, S. 9-36. Codd, E. F., A Relational Model for Large Shared Data Banks, Communications of the ACM 13 (1970), S. 377-387.

Date 00

Date, C. J., An Introduction to Database Systems, 7. Aufl., Reading/Mass. 2000.

Ferstl/Sinz 01

Ferstl O. K. und Sinz E. J., Grundzüge der Wirtschaftsinformatik Bd. 1, 4. Aufl., München 2001. Mertens, P. und Griese, J., Integrierte Informationsverarbeitung 2, Planungs- und Kontrollsysteme in der Industrie, 9. Aufl., Wiesbaden 2002.

Mertens/Griese 02

82 Neumeier u. a. 03

Oestereich 01

3.5 Literatur zu Kapitel 3 Neumeier, F., Löwer, U. M. und Picot, A. Das Semantic Web – Neue Perspektiven für die verteilte Wertschöpfung?, Information Management & Consulting 18 (3) (2003), S 7782. Oestereich, B., Objektorientierte Softwareentwicklung, 5. Aufl., München 2001.

Picot u. a. 03

Picot, A., Reichwald, R. und Wigand, R. T., Die grenzenlose Unternehmung, 5. Aufl., Wiesbaden 2003.

Picot/Maier 94

Picot, A. und Maier, M., Ansätze der Informationsmodellierung und ihre betriebswirtschaftliche Bedeutung, Zeitschrift für betriebswirtschaftliche Forschung (ZfbF) 46 (1994) 2, S. 107-126.

Ricardo 90

Ricardo, C., Database Systems: Principles, Design & Implementation, New York 1990. Thiel, M., Wissenstransfer in komplexen Organisationen, Wiesbaden 2002.

Thiel 02 Ullman 95

Ullman, J. D., Principles of Database and Knowledge-Base Systems, Volume I, 8. Aufl., Rockville 1995.

Schweizer 99

Schweizer, A., Data Mining – Data Warehousing, Bern 1999.

4 Integrierte Anwendungssysteme

Im vierten Kapitel dieses Buches soll ein Eindruck von den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der IV in Betrieben verschiedener Wirtschaftszweige gegeben werden. Dabei wählen wir exemplarisch die in der Praxis wichtigsten AS aus und sind bemüht, die unterschiedlichen Typen von AS, also Administrations-, Dispositions-, Planungs- und Kontrollsysteme, angemessen zur Geltung zu bringen. Wir können verschiedene „Schnitte“ durch die Wirtschaftspraxis legen. Die Statistik spricht u. a. von „Industrieller Produktion“ und „Dienstleistung“. Diese Unterscheidung ist nicht trennscharf, sondern weist zum Teil Überlappungen auf. Gerade größere Unternehmen enthalten Elemente aus „beiden Welten“. Sicher wäre es möglich, einzelne Funktionen zusammen für beide Wirtschaftszweige zu behandeln, z. B. die Kostenstellenrechnung. Aufwändige Verfahren im Marketing, dargestellt in Abschnitt 4.2.3 für den Dienstleistungsprozess, sind genauso für den Industriebetrieb denkbar und finden dort auch Verwendung. Wir würden aber so dem Leser eine sehr abstrakte Darstellung zumuten. Nehmen wir z. B. den Produktentwurf: Es gibt natürlich den Entwurf von Versicherungsprodukten, aber diese Funktion bzw. der dabei zurückzulegende Prozess ist nur auf einem sehr hohen Abstraktionsniveau mit der computerunterstützten Konstruktion (Computer-aided Design, CAD) im Automobilbereich zu vergleichen. In Ermangelung besserer Abgrenzungen übernehmen wir die Einteilung in Industriebetriebe (Abschnitt 4.1) und Dienstleistungsbetriebe (Abschnitt 4.2). Aus didaktischen Gründen empfiehlt es sich, im Industriebetrieb stärker nach Funktionen und im Dienstleistungsbetrieb nach Prozessen zu gliedern. Nachdem einerseits die Vollintegration oft zu kompliziert und zu änderungsanfällig ist, andererseits die auf Funktionsbereiche oder Prozesse begrenzte Verbindung neue Schnittstellen schafft, haben sich dazwischen größere funktionsbereich- und prozessübergreifende Integrationskomplexe bzw. -cluster ausgeprägt, die Gegenstand von Kapitel 4.3 sind. In Teilkapitel 4.4 werden Systeme beschrieben, in denen Industrie- und Dienstleistungsbetriebe vernetzt sein können.

84

4.1 Informationsverarbeitung im Industriebetrieb

4.1

Informationsverarbeitung im Industriebetrieb

4.1.1 Betrachtung von Funktionalbereichen Für die Behandlung der AS im Industriebetrieb gilt zunächst die Wertschöpfungskette als Gliederungsprinzip, d. h. wir folgen im Wesentlichen dem Produkt von seiner Entwicklung bis zum Kundendienst in der Nachverkaufsphase durch die Funktionalbereiche und stellen dar, welche IV-Systeme für den jeweiligen Unternehmensbereich charakteristisch sind. Im Industriebetrieb geht es vor allem um die vier sog. Haupt- oder Kernprozesse (vgl. Abbildung 4.1.1/1): „ „ „ „

Angebotsprozess (Customer-to-Order) Auftragsabwicklung (Order-to-Invoice, vgl. auch Abbildung 4.3.2/1) Produktentwicklung (Idea-to-Market, vgl. auch Abbildung 4.3.2/1) Kundenservice (Failure-to-Invoice) Geschäftsprozesse Angebotsprozess Auftragsabwicklung Produktentwicklung

Funktionsbereichsübergreifende und Unternehmensplanungsmodelle

Kundendienst

Planungs- und Kontrollsysteme (PuK) PuK-Systeme

Vertikale Integration

Data Warehouse

Operative Systeme

4.1.9 4.1.10 4.1.11 4.1.12

Querschnittsfunktionen

Finanzen Rechnungswesen Personal Anlagenmanagement

Grundfunktionen

4.1.2 Forschung sowie Produktund Prozessentwicklung

4.1.3 Vertrieb

4.1.4 Beschaffung

4.1.6 Produktion

4.1.7 Versand

4.1.8 Kundendienst

4.1.5 Lagerhaltung Wertschöpfung/Auftragsdurchlauf Horizontale Integration

Abb. 4.1.1/1 Funktionsbereiche und Prozesse im Industriebetrieb

Es ist uns aus Platzgründen i. d. R. nicht möglich, auf die Besonderheiten verschiedener Typen von Industriebetrieben (z. B. Einzel- oder Serienfertiger) oder auf die von diversen Branchen einzugehen; jedoch wählen wir unsere Beispiele so, dass der Leser vielfältige Eindrücke von den Besonderheiten der Branchen gewinnt. In der Systematik lehnen wir uns dabei an das

4 Integrierte Anwendungssysteme

85

Buch „Integrierte Informationsverarbeitung 1“ [Mertens 01] an, wobei der Inhalt jedoch stark gekürzt und vereinfacht werden muss. Dort und auf den mit diesem Buch zusammenhängenden Webseiten (http://www.wi1.unierlangen.de/buecher/iv1/) finden Sie eine wachsende Anzahl von aktuellen Beispielen.

4.1.2 Forschung und Produktentwicklung 4.1.2.1

Produktentwurf (CAD/CAE)

Im Mittelpunkt des Produktentwurfes steht die computerunterstützte Konstruktion, das sog. Computer-aided Design (CAD). CAD-Systeme kann man zunächst als Übertragung des Konstruktionszeichnens vom Reißbrett auf den Bildschirm („Intelligentes Zeichenbrett“) verstehen. Dadurch verfügt der Konstrukteur über alle Möglichkeiten moderner Computergrafik. So zeichnet das System z. B. Kreise und andere geometrische Gebilde nach Eingabe der bestimmenden Parameter (beim Kreis: Koordinaten des Mittelpunktes und Radius) selbsttätig, schraffiert markierte Flächen „auf Knopfdruck“ u. v. a. m. Ergebnis der CAD-Prozedur sind im Rechner gespeicherte Zeichnungen bzw. Geometriedaten und die Stückliste des Erzeugnisses (siehe Abschnitt 4.1.6.2). Eine wichtige Erweiterung ist das Computer-aided Engineering (CAE). Hierbei bildet man das entworfene Produkt als Modell im Rechner ab und kann damit simulieren. Beispielsweise wird mit CAE die Geometrie einer Pkw-Karosserie modelliert. Das System stellt dann mithilfe von Ingenieurrechnungen fest, welche Auswirkungen eine stärkere Neigung der Windschutzscheibe auf den Luftwiderstand und damit die Höchstgeschwindigkeit und den Benzinverbrauch sowie die Aufheizung der Fahrgastzelle haben würde. CAE-Systeme stellen komplexe IV-Anwendungen dar, da alle voneinander abhängigen Produkteigenschaften im Rechner zu modellieren sind. In unserem Beispiel erübrigt sich der Bau von Karosserievarianten, die alle im Windkanal oder gar in aufwändigen Straßenversuchen getestet werden müssten. Die Tendenz geht dahin, CAD/CAE zu umfassenden Konstruktionsinformationssystemen weiterzuentwickeln. Neben die technischen Berechnungen treten dann sog. Schnellkalkulationen, mit denen man die Konstruktionsvarianten auf Kostenvorteile untersucht. Ein weiteres Ziel solcher Systeme ist es, dafür zu sorgen, dass die Zahl der im Betrieb vorkommenden und damit in der Materialwirtschaft zu verwaltenden Teile nicht zu stark wächst. Deshalb ermöglicht man dem Konstrukteur, aus unternehmensinternen und -externen Datenbanken (siehe Abschnitt 3.3) Informationen über verfügbare Teile, insbesondere Normteile, und über deren Verwendung in anderen Erzeugnissen abzurufen. Dadurch soll schon in der

86

4.1 Informationsverarbeitung im Industriebetrieb

Konstruktionsphase dazu beigetragen werden, dass der Ingenieur im Zweifel bereits vorhandene Bauelemente („Wiederholteile“) verwendet. Auch kann er sich etwa über das Internet externe Informationen beschaffen (siehe Abschnitt 3.3.2), so z. B. über das Verhalten eines Werkstoffes bei starken Temperaturschwankungen. Unter günstigen Voraussetzungen ist es möglich, den Computer das Produkt weitgehend allein konstruieren bzw. konfigurieren zu lassen, in modernen Lösungen z. B. mithilfe eines Expertensystems. PRAKTISCHES BEISPIEL Die Kennametal Hertel AG stellt Werkzeuge her, z. B. Bohrer. Ihre Kunden sind u. a. Betriebe aus der Automobilbranche, der Luftfahrtindustrie, dem Maschinenbau oder der Schwerindustrie. Für den Sonderwerkzeugbau hat man das Expertensystem TESS (Tool Expert Software System) geschaffen. In seiner Wissensbasis sind die Erfahrungen aus mehr als 100 Personenjahren von Werkzeugentwicklern, mehr als 10.000 Bearbeitungsfällen und mehr als 100.000 produzierten Stücken „geronnen“. Die Datenbasis enthält u. a. Informationen über mehr als 300 Werkstoffe, z. B. zu den Zerspanungseigenschaften, und über mehr als 1.000 Wendeschneidplatten (Inserts). Die vom Kunden gewünschten Merkmale des Werkzeugs, z. B. seine Kontur bzw. Geometrie einschließlich der Maßtoleranzen oder der Verlauf des Kühlstroms im Werkzeug, fragt das System in einer Folge von Menüs vom Auftragsbearbeiter ab, ebenso, in welche Werkzeugmaschine beim Kundenbetrieb das Kennametal-Erzeugnis eingespannt werden soll. Das wissensbasierte System liefert u. a. eine Zeichnung für den Abnehmer, ein Kalkulationsblatt zur Vorbereitung der Preisentscheidung, einen Roharbeitsplan zur Abfolge in der Fertigung, das NC-Programm und ein 3D-CAD-Modell. [Mertens 04, S. 34]. Das System bearbeitet pro Jahr ca. 1.500 Bohr- und Senkwerkzeuge. Es benötigt pro Werkzeug 10 bis 15 Minuten, verglichen mit 25 Stunden eines Konstrukteurs.

Dem Konstrukteur in der mechanischen Industrie entspricht in der Chemieindustrie der Syntheseplaner. Das zugehörige Werkzeug ist das Computer-assisted Synthesis-Planning (CASP). Man findet damit Reaktionswege und Vorprodukte, die für ein Enderzeugnis mit gewünschten Eigenschaften in Frage kommen. Um neue Produkte sehr rasch auf den Markt zu bringen, arbeiten zuweilen Konstrukteure mehrerer Unternehmen (z. B. Karosseriebauer und Hersteller von Pressen) simultan an einem Erzeugnis, ohne dass sie sich am gleichen Ort treffen („Concurrent Engineering“). 4.1.2.2

Arbeitsplanung (CAP)

Computer-aided Planning (CAP) bedeutet die teilautomatische Entwicklung von Arbeitsplänen (Fertigungsvorschriften) oder – in günstigen Fällen – ganzer Fertigungsprozesse (Computer-aided Process-Planning, CAPP). Das AS muss aus den Geometrie- und Stücklistendaten, wie sie aus dem CAD (siehe

4 Integrierte Anwendungssysteme

87

Abschnitt 4.1.2.1) kommen, und ggf. aus bereits gespeicherten Arbeitsplänen ähnlicher Erzeugnisse die Fertigungsvorschriften ableiten.

4.1.3 Vertrieb 4.1.3.1

Kundenanfrage- und Angebotsbearbeitung

Für die Ausarbeitung eines Angebotes stehen sehr leistungsfähige Hilfsmittel zur Verfügung. Kombiniert man sie, so gelangt man zu geschlossenen Angebotssystemen, die gegebenenfalls den Außendienstmitarbeiter beim Kundenbesuch unterstützen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Computer-aided Selling (CAS). Wir wollen uns vorstellen, dass der Außendienstmitarbeiter eines Kopiergeräteherstellers in der Nähe einer Universität Geräte (Kopierer, Sortieranlagen) verkaufen will. Er führt ein Notebook mit sich. In der ersten Phase interviewt der Mitarbeiter den Besitzer des Kopierdienstes unter Zuhilfenahme einer gespeicherten Checkliste. Er erhebt z. B. die Zahl der täglich zu erstellenden Kopien, Informationen über die Qualitätsansprüche der Kundschaft, die durchschnittliche Dicke der herzustellenden Vorlesungsskripten und Seminararbeiten u. v. a. m. Unter Verwendung eines Elektronischen Produktkataloges werden Erzeugnisse, die zu den Anforderungen des Kopiergeschäftes passen, auf dem Bildschirm angezeigt, etwa in Form von fotografischen Darstellungen oder Schemaskizzen. Nach der Vorauswahl durch den Kunden stellt das System im Konfigurationsprozess eine Anlage zusammen. Dabei überprüft es viele Bedingungen und gewährleistet so, dass einerseits die vom Kunden verlangten technischen Leistungen (Durchsatz, Qualität, maximale Stellfläche) erbracht werden und andererseits die ausgewählten Bausteine auch zueinander passen. Mithilfe einer gespeicherten Preisliste für die einzelnen Komponenten kalkuliert das AS in der nächsten Phase den Angebotspreis. Da dieser dem Kunden viel zu hoch erscheint, arbeitet das System schließlich einen Leasingvertrag mit niedrigen Monatsraten aus und überprüft in seiner Datenbank auch, ob der Copyshop-Unternehmer für diese Investition eine Subvention aus einem staatlichen Programm zur Förderung des Mittelstandes beantragen kann. Als besonderen Service berechnet das AS die Rentabilität alternativer Maschinenkonfigurationen unter verschiedenen Annahmen, beispielsweise der, dass nach der Investition des besonders leistungsfähigen Gerätes doppelt so viele Studenten als Kunden gewonnen werden können oder dass der Umsatz um 20 % zurückgeht, weil ein neuer Mitbewerber eröffnet. Im nächsten Schritt wird das Angebot ausgedruckt und im Speicher des Notebook festgehalten. Abschließend überspielt der Außendienstmitarbeiter das Angebot und eventuell den Auftrag (z. B. unter Verwendung eines Funkmodems) zum Zentralrechner seines Unternehmens, des Druckmaschinenherstellers.

88

4.1.3.2

4.1 Informationsverarbeitung im Industriebetrieb

Angebotsüberwachung

Überwachungsprogramme werten periodisch die von der Kundenanfrageund Angebotsbearbeitung bereitgestellten Angebote aus und geben bei Bedarf Angebotserinnerungen an den Vertrieb weiter. Dieser wird daraufhin Kontakt mit dem Kunden aufnehmen. 4.1.3.3

Auftragserfassung und -prüfung

Die Auftragserfassung ist eines der „Tore“, an denen viele und wichtige externe Daten in die IV eines Unternehmens gelangen. Es muss daher sichergestellt werden, dass man die Daten sowohl rationell als auch korrekt und genau erfasst. Neben den konventionellen Möglichkeiten (Eingabe der per Brief, Telefon, Telefax usw. eingetroffenen Aufträge an einem Bildschirm) sind vor allem Lösungen anzustreben, bei denen die manuelle Dateneingabe entfällt, etwa mittels Integration der IV des Kunden mit der des Lieferanten über elektronische Datenübertragung (EDI) oder XML (siehe Abschnitt 2.5.2). So kann der Außendienstmitarbeiter beim Kunden ein beleglesefähiges Formular ausfüllen oder den Auftrag in ein mobiles Terminal eingeben. Der Kunde kann umgekehrt etwa das Internet nutzen, um seine Orderdaten aufzubereiten und zu versenden. PRAKTISCHES BEISPIEL Die Ford-Werke AG hat ihre zentrale Ersatzteilverwaltung mit dem Bestellwesen der Ford-Händler integriert. Das System trägt den Namen DARTS (Dealer Application Remote Terminal System). Ein Bestelldispositionsprogramm, das auf einem Kleinrechner im Händlerbetrieb läuft, macht Vorschläge, wann und in welchen Mengen Zubehör- und Ersatzteile geordert werden sollen. Der Händler genehmigt oder modifiziert diese Vorschläge und speichert die endgültigen Aufträge in seinem Rechner. Periodisch ruft ein zentraler DARTS-Computer die Bestellungen automatisch von den Rechnern der Händler ab und führt sie gesammelt den Auftragsbearbeitungsprogrammen in der zentralen Ersatzteilverwaltung der Ford-Werke in Köln zu.

Eine wichtige Komponente bilden die verschiedenen Prüfungen. Sie müssen sicherstellen, dass möglichst wenig falsche Daten in das integrierte System gelangen. Die technische Prüfung ermittelt, ob die gewünschte Variante geliefert werden kann oder ob bei der Konfiguration durch den Außendienstmitarbeiter oder den Kunden ein Fehler unterlaufen ist. Beispielsweise mag für ein medizinisches Gerät, das für den Export in die USA bestimmt ist, ein Netzteil vorgesehen sein, das zwar zum deutschen, nicht aber zum amerikanischen Stromnetz passt. In der Bonitätsprüfung wird festgestellt, ob nach Annahme und Auslieferung des Auftrages der Kunde ein Kreditlimit überschreitet, sodass die Bezahlung gefährdet erscheint. Aufgabe des Terminprüfungsmoduls ist es, herauszufinden, ob der im Auftrag angegebene KundenWunschtermin eingehalten werden kann. Dazu ist zunächst die Bestandssituation, beginnend mit den Fertigfabrikaten über die Zwischenfabrikate bis zu

4 Integrierte Anwendungssysteme

89

den Fremdbezugsteilen, abzufragen. Hat man nicht genügend Vorräte, so muss das System abschätzen, ob die nötigen Produktionsvorgänge rechtzeitig beendet werden können. Der Programmkomplex Auftragserfassung und -prüfung beendet seine Arbeit mit dem Ausdruck der Auftragsbestätigung und dem Abspeichern der erteilten Aufträge als Transferdaten zum PPS-System (siehe Abschnitt 4.3.2).

4.1.4 Beschaffung 4.1.4.1

Bestelldisposition

Bei der Bestelldisposition handelt es sich im Prinzip um eine „Abprogrammierung“ der geometrischen Darstellung von Abbildung 4.1.4.1/1. Als Erstes bestimmt das System für jedes Teil den Sicherheitsbestand e („eiserne Reserve“). Dies geschieht z. B., indem der Unternehmer die Zahl der Tage te festlegt, die er auch dann noch lieferbereit sein möchte, wenn als Folge einer Störung (z. B. Streik beim Lieferanten) der Nachschub ausbleibt. Das AS multipliziert te mit dem von ihm selbst beobachteten durchschnittlichen täglichen Lagerabgang und gelangt so zu e. In verfeinerten Versionen wird e mithilfe statistischer Methoden vergrößert, wenn die Lagerabgangsprognose mit großen Unsicherheiten behaftet ist (große Differenzen zwischen Prognose und Ist-Zustand, die das System selbst registriert). Bestand

s

TB

Q te

J s tw

L

TB

e Zeit

e = Sicherheitsbestand (Mindestbestand, eiserne Reserve) t e = Sicherheitszeit zur Abdeckung von Prognoseabweichungen und anderen Unsicherheiten t w = Wiederbeschaffungszeit TB = Bestelltermin s = mengenmäßige Bestellgrenze (Meldebestand) Q = Losgröße J = Winkel, der die Geschwindigkeit der Lagerentnahme wiedergibt

Abb. 4.1.4.1/1 Ermittlung von Bestellzeitpunkt und -menge

Für die Vorhersage von Lagerabgängen unterscheidet man zwischen Programm- und Bedarfssteuerung. Bei der programmgesteuerten Ermittlung er-

90

4.1 Informationsverarbeitung im Industriebetrieb

rechnet sich der Bedarf an Baugruppen und Teilen in Abhängigkeit von dem geplanten Absatz- und Produktionsprogramm. Darauf wird in Abschnitt 4.1.6.1 eingegangen. Bei der bedarfsgesteuerten Vorhersage beobachtet das IV-System den Lagerabgang und zieht daraus Schlüsse für den künftigen Bedarf. Abbildung 4.1.4.1/2 zeigt beispielhaft, wie Eingabedaten zu den Materialbewegungen entstehen können. Art der Materialbewegung

Betroffenes Lager

Gemeldet von Programm (Abschnitt)

Lieferungen an Kunden

-Fertigerzeugnislager

Distributionslogistik (4.1.7.3) oder Fakturierung (4.1.7.4)

Kundenretouren

+Fertigerzeugnislager

personell erstellte Lagerzugangsmeldungen (4.1.5.2)

Lieferungen von Lieferanten

+Rohstoffe, Fremdbezugsteile

Wareneingangsprüfung (4.1.4.4)

Lieferantenzugangsretouren

- Rohstoffe, Fremdbezugsteile

Personell erstellte Lagerabgangsmeldungen (4.1.4.4)

Zu- und Abgänge in den Werkstätten

+/-Werkstattbestände

Werkstattsteuerung (4.1.6.7)

Inventurdifferenzen

+/-verschiedene Lager

Inventur (4.1.5.3)

Lagerüberweisungen

+/-verschiedene Lager

Personell ausgefertigte Meldungen (4.1.5.2)

Legende: +: Zugang zu, -: Abgang von Abb. 4.1.4.1/2 Materialbewegungsdaten in der integrierten IV (vereinfacht)

Kern des Verfahrens ist in vielen Betrieben das Exponentielle Glätten erster Ordnung nach der Formel:

Mi

M i 1  D ( M i 1  M i 1 )

Darin bedeuten: Mi = Vorhergesagter Bedarf für die Periode i M i1 Mi 1 D

= Vorhergesagter Bedarf für die Periode i-1 = Tatsächlicher Bedarf in der Periode i-1 = Glättungsparameter (0 d D d 1)

Der Bedarf für Periode i wird geschätzt, indem man den Vorhersagewert für die Periode i-1 um einen Bruchteil D des dabei aufgetretenen Vorhersagefehlers korrigiert. Die Größe von D bestimmt, wie sensibel der Prognoseprozess auf die jüngsten Beobachtungen reagiert. Je kleiner D gesetzt wird, desto stärker werden die Vorhersagewerte der Vergangenheit berücksichtigt. An der Formel erkennt man diese Wirkung z. B., wenn man D so klein wie möglich macht, also null setzt: Nun nimmt das System den alten Prognosewert

4 Integrierte Anwendungssysteme

91

auch als neue Vorhersage, d. h. die letzte Beobachtung Mi-1 spielt überhaupt keine Rolle. Für kompliziertere Bedarfsverläufe (ausgeprägter Trend, Saisonabhängigkeiten, Überlagerung von Trend und Saison oder Bedarfsstöße durch Verkaufsaktionen) muss das Exponentielle Glätten erweitert werden. Das Bestelldispositionsprogramm findet den Schnittpunkt L (Wunschliefertermin) der Lagerabgangslinie mit der Parallelen zur x-Achse, die den Sicherheitsbestand e markiert, und geht von diesem Punkt um die Wiederbeschaffungszeit tw nach links. Damit wird der Bestelltermin TB bestimmt. Dies ist der Zeitpunkt, zu dem bestellt werden muss, damit nach Ablauf der Wiederbeschaffungszeit die georderten Teile rechtzeitig eintreffen. Dem Abszissenwert TB entspricht der Ordinatenwert s. Dies ist der Meldebestand. Im nächsten Schritt wird eine günstige Bestellmenge Q ermittelt. Wenn das Teil von der eigenen Fertigung bezogen wird, ist die Bestellung bei einem Enderzeugnis an das AS Primärbedarfsplanung (siehe Abschnitt 4.1.6.1) zu transferieren. Bei einem Zwischenprodukt oder Einzelteil gehen die Transferdaten an das AS Materialbedarfsplanung (siehe Abschnitt 4.1.6.2). Handelt es sich dagegen um Fremdbezug, gibt die Materialdisposition die Daten an das Einkaufssystem weiter. 4.1.4.2

Einkauf

Es ist zu unterscheiden, ob a) nur ein Lieferant in Frage kommt, b) das System in einem Modul Lieferantenwahl die Lieferquelle selbst bestimmen darf oder c) die Wahl dem Einkaufssachbearbeiter obliegt. In den Fällen a) und b) kann die Rechenanlage die Bestellung ausdrucken und in einem Vormerkspeicher festhalten. Im Fall c) wird dem Einkäufer die Auswahl der Lieferanten auf dem Bildschirm präsentiert. Die Bestellungen können erst dann veranlasst werden, wenn der Mensch seine Entscheidung in das Gerät eingegeben hat. In manchen Betrieben übermittelt das AS seine Bestellungen z. B. über das Extranet an die Rechenanlage der Lieferanten (zwischenbetriebliche Integration bzw. Supply-Chain-Management, siehe Abschnitt 4.4.3). Beim klassischen Beschaffungsprozess gibt der Bedarfsträger – z. B. ein Rohstofflager – einen Bestellwunsch in das System ein. Dieser wird am PC eines Mitarbeiters der Einkaufsabteilung bearbeitet (Prüfung gegen das Einkaufsbudget, Wahl des Lieferanten, gegebenenfalls Modifikation einer vom Computer vorgegebenen Losgröße) und dann an den Lieferanten weitergeleitet. Beim sog. Desktop-Purchasing bestellt in unserem Beispiel der Lagerdisponent ohne Einschaltung der Einkaufsabteilung. Die Regeln, nach denen der Einkaufssachbearbeiter den Bestellwunsch geprüft hatte, sind nun in einem elektronischen Programm abgebildet. Sofern sie nicht verletzt werden, übermittelt der Rechner des Lagerdisponenten die Bestellung in elektronischer Form an den Lieferanten.

92

4.1 Informationsverarbeitung im Industriebetrieb

Die Einkaufsfunktion zählt nach Ansicht vieler Beobachter zu jenen Teilsystemen des Industriebetriebes, welche durch das Internet besonders stark verändert werden („Electronic Procurement“). Es lassen sich verschiedene Stufen unterscheiden, die gleichzeitig Beispiele für die Vernetzung oder die zwischenbetriebliche Integration darstellen [Mertens 01, S. 94-96]: 1. Informationssammlung aus WWW-Präsentationen: Der Einkäufer besorgt sich im Internet die neuesten Produktbeschreibungen/-preise, recherchiert nach neuen Lieferanten u. Ä. 2. Internetshops: Einkäufer besuchen virtuelle Verkaufsräume im Internet und ordern direkt. 3. Internetshopping-Malls: Hier werden mehrere Internetshops in einem Portal zusammengeführt. Der Einkäufer kann so gleichzeitig die Verfügbarkeit und die Konditionen bei einer Vielzahl potenzieller Lieferanten abfragen. 4. Internetausschreibungen: Der Einkäufer mag seinen Bedarf auf einem Internetportal veröffentlichen. Ein Vermittler vergleicht die Spezifikation mit dem Leistungsangebot der Lieferanten und leitet die Anfrage mit der Bitte dorthin weiter, eine Offerte zu machen. 5. Internetauktionen: Im Gegensatz zu Ausschreibungen kennen bei Beschaffungsauktionen die Verkäufer das Angebot der Konkurrenten und können dieses unterbieten, bis der „virtuelle Hammer fällt“. Bei Verkaufsauktionen steigert der einkaufende Betrieb mit, bis er entweder den Zuschlag erhält oder „passt“ (siehe Abschnitt 4.2.6.3). Mehrere der aufgeführten Formen können auf Internetmarktplätzen zusammengeführt werden. Letztere ordnen also Angebot und Nachfrage auf verschiedene Weisen einander zu. 4.1.4.3

Lieferüberwachung

Das Programm Lieferüberwachung kontrolliert die vom Programm Bestelldisposition angelegten Vormerkdaten „Bestellungen Fremdbezug“ in regelmäßigen Abständen. Sind Liefertermine überschritten, so werden Mahnungen an die Lieferanten weitergeleitet. Jede anfallende Mahnung wird bei den Lieferantenstammdaten registriert, z. B. durch Erhöhen einer Mahnziffer, und kann beim nächsten Dispositionslauf die Lieferantenwahl beeinflussen. 4.1.4.4

Wareneingangsprüfung

Gegenstände der Wareneingangsprüfung sind eine Mengen- und eine Qualitätskontrolle. Dem AS werden die Wareneingangsinformationen zugeführt, welche z. B. die Bestelldisposition ausgibt. Die Wareneingangsprüfung kann so erkennen, ob eine Lieferung überhaupt bestellt war und ob die gelieferten mit den bestellten Mengen übereinstimmen.

4 Integrierte Anwendungssysteme

93

Eine elegante Möglichkeit, die Qualitätsprüfung mithilfe der IV zu rationalisieren und zu verfeinern, liegt in der Verwendung „dynamischer“ Stichprobenverfahren [Mertens 01, S. 110-112]. Das System schreibt mehr Stichproben vor (es verschärft die Kontrolle), wenn sich der Lieferant in der jüngeren Vergangenheit als unzuverlässig erwies, und umgekehrt.

4.1.5 Lagerhaltung 4.1.5.1

Materialbewertung

Das AS entnimmt den Materialstammdaten Bewertungsansätze, wie z. B. bei Fremdbezugsmaterial die Preise aus Bestellung oder Lieferung, fest gespeicherte Verrechnungspreise oder neueste Kosten aus der Nachkalkulation (siehe Abschnitt 4.1.10.1.2). Gegebenenfalls kommt auch eine einfache Bewertungsrechnung, wie z. B. mit geglätteten Durchschnitten (bei jedem Zugang wird ein Durchschnittspreis ermittelt), in Frage. 4.1.5.2

Lagerbestandsführung

Die maschinelle Lagerbestandsführung ist im Prinzip sehr einfach. Sie folgt der Formel Neuer Lagerbestand = Alter Lagerbestand + Zugänge - Abgänge Jedoch stellen sich leicht Komplikationen ein, z. B.: „ Neben den „bürokratisch“, d. h. mithilfe von Entnahme- und Ablieferungsscheinen, verwalteten Lagern gibt es Werkstattbestände, bei denen nicht jede Veränderung durch eine Buchung begleitet wird. „ Es sind Reservierungen zu berücksichtigen, also Teile, die zwar physisch noch am Lager sind, über die aber bereits verfügt wurde, sodass sie nur für einen bestimmten Zweck ausgelagert werden dürfen. 4.1.5.3

Inventur

Am Beispiel der Inventur lässt sich studieren, wie die IV von sich aus personelle Vorgänge veranlasst („getriggert“) und damit zur Ordnung im Betrieb (Übereinstimmung von „Buchbeständen“ im Rechner und tatsächlichen Beständen) wesentlich beiträgt. Zu den Inventuranlässen, die das AS selbst feststellen kann, gehören [Mertens 01, S. 122-123]: 1. Unterschreitung einer Untergrenze (es empfiehlt sich, die Inventur vorzunehmen, wenn wenig Teile am Lager sind, weil dann der Zählaufwand gering ist) 2. Entstehung von Buchbeständen unter null

94

4.1 Informationsverarbeitung im Industriebetrieb

3. Bei einer Teileart hat eine bestimmte Anzahl von Bewegungen stattgefunden (damit ist eine gewisse Wahrscheinlichkeit gegeben, dass sich bei der Verbuchung ein Fehler eingeschlichen hat) 4. Steuerung über vom Rechner generierte Zufallszahlen (bei Diebstahlgefahr wird so der wünschenswerte Überraschungseffekt gewährleistet) 5. Auslösung zu bestimmten Stichtagen Die Inventur geschieht entweder durch vollständige Zählung oder durch Stichproben. Bei der Stichprobeninventur ist es Aufgabe des IV-Systems, mithilfe von Methoden der mathematischen Statistik einen geeigneten Stichprobenumfang zu ermitteln und die Zählergebnisse hochzurechnen. 4.1.5.4

Unterstützung der Abläufe im Lager

Durch Verbindung von betriebswirtschaftlicher mit technischer IV (Prozesssteuerung) ergeben sich viele Möglichkeiten einer effizienten Lagerverwaltung. Dazu gehören: 1. IV-Systeme verwalten Hochregallager: Paletten werden in horizontaler und vertikaler Bewegung automatisch an freie Lagerpositionen transportiert. Physisch sind die einzelnen Paletten nicht nach einer bestimmten Ordnung sortiert (sog. Random- oder chaotische Lagerung). Dadurch, dass im System ein Abbild des Lagers gespeichert ist, kann das System aber jederzeit auszulagernde Positionen auffinden. 2. Bei der Lagerentnahme werden die zu einer Kommission (Bestell- bzw. Versandvorgang) gehörenden Positionen (teil-)automatisch von ihrem Lagerplatz geholt, sortiert und an den Packplatz transportiert. PRAKTISCHES BEISPIEL Die Avon Cosmetics GmbH stellt die zusammengefaltet eintreffenden Versandkartons mithilfe eines Automaten auf. Ebenfalls automatisch wird ein Balkencode auf den Karton gebracht, der ihn als zu einem Kundenauftrag gehörig identifiziert. Eine Steuerung liest diesen Code und befördert den Karton über Bänder und Weichen nur zu jenen Entnahmeplätzen, an denen sich georderte Artikel befinden. Die Kommissioniererinnen erhalten an einem Bildschirm eine grafische Darstellung, die ihnen zeigt, zu welchem Regalplatz sie sich wenden müssen. Diese Regalstelle wird im richtigen Moment beleuchtet und an einer Digitalanzeige sehen die mit der Entnahme beauftragten Personen, wie viele Einheiten (z. B. Lippenstifte, Tuben) „gepickt“ und in den Karton gelegt werden müssen. Nach der Entnahme an dem Platz genügt ein Tastendruck, um den Arbeitsgang als beendet zu melden. Der Karton wird dann automatisch zum nächsten Platz transportiert. So erfolgt eine Art „KommissionierFortschrittskontrolle“. Das System überträgt Daten an einen Logistikdienstleister, aus denen dieser entnehmen kann, welche Versandaufgaben auf ihn zukommen und wie er seine Auslieferungen disponieren sollte [Haberl 96].

4 Integrierte Anwendungssysteme

95

4.1.6 Produktion Ein sehr schwieriges Problem bei der Konzeption von AS im Produktionssektor ist die intensive Wechselwirkung zwischen einzelnen Teilsystemen. Abbildung 4.1.6/1 zeigt nur ein Beispiel eines Wirkungsverbundes: Erhöht man die Losgröße , so nimmt man höhere Lagerbestände in Kauf. Wegen der insgesamt niedrigeren Rüstzeiten werden aber die Engpässe besser ausgenutzt. Dadurch sinken zunächst die Durchlaufzeiten der Aufträge in der Fertigung. Nach Überschreiten eines Minimalwertes steigen jedoch die Durchlaufzeiten an, weil immer wieder Lose vor Fertigungsaggregaten warten müssen, an denen ein davor liegendes großes Los längere Zeit bearbeitet wird. Fertigungsprobleme

Lagerbestand Durchlaufzeit

an Engpässen verschwendete Kapazität Losgröße

Abb. 4.1.6/1 Wirkungsverbund in der Fertigung

Der Produktionsablauf ist von verschiedenen Faktoren abhängig, z. B. Soll-Losgrößen auf verschiedenen Fertigungsstufen, Produktionsreihenfolgen sowie Auswahl von konstruktiven Varianten und Alternativen bei den Arbeitsplänen. Im Grunde müsste man alle in Wechselbeziehung stehenden Einflussgrößen simultan berücksichtigen. Mit sog. Advanced-Planning-Systemen wird dies neuerdings unter Nutzung vieler moderner Entwicklungen bei den Algorithmen, bei der Rechengeschwindigkeit und bei der Speicherverwaltung auch in Teilen versucht. Jedoch hat sich im Laufe der Jahrzehnte eine Abarbeitungsreihenfolge der Module ausgeprägt, die in vieler Hinsicht zweckmäßig, wenn auch nicht immer optimal ist. Sie liegt der folgenden Betrachtung zu Grunde. 4.1.6.1

Primärbedarfsplanung/MRP II

Die Primärbedarfsplanung gleicht grob die gewünschten Absatz- bzw. Produktionsmengen mit den vorhandenen Fertigungskapazitäten ab. Diese frühzeitige Abstimmung von Kapazitätsangebot und -bedarf soll verhindern, dass die Werkstatt mit unrealistisch geplanten Produktionsaufträgen überlastet wird. Hierzu können z. B. maschinelle Absatzprognosen auf statistischer Basis [Mertens/Rässler 05] und das in Abschnitt 4.3.4 skizzierte Matrizenmodell herangezogen werden.

96

4.1 Informationsverarbeitung im Industriebetrieb

Systeme, bei denen derartige Komponenten eine wichtige Rolle spielen, bezeichnet man auch als „Manufacturing-Resource-Planning“ (MRP II). Von MRP II ist MRP I „Material-Requirements-Planning“ – Materialbedarfsplanung – zu unterscheiden (siehe folgenden Abschnitt). MRP-II-Konzepte sind ferner durch eine Vielfalt von Rückkoppelungsschleifen charakterisiert, auf die wir hier nicht näher eingehen können. 4.1.6.2

Materialbedarfsplanung/MRP I

Die von der Auftragserfassung, Absatzplanung oder Primärbedarfsplanung bereitgestellten Endproduktbedarfe müssen unter Verwendung von Stücklisten (Erzeugnisstrukturen) in ihre Bestandteile (Sekundärbedarf) zerlegt werden („Stücklistenauflösung“). Abbildung 4.1.6.2/1 zeigt eine solche Stückliste. I A

2

2

C

1

D

4

1

2

B

5

3

4

D

4

2

3

= Enderzeugnis = Baugruppe = Einzelteil

Abb. 4.1.6.2/1 Erzeugnisstruktur eines Produkts

Sie ist als Baukastenstückliste organisiert, d. h., man erkennt (anhand der gestrichelten Rechtecke), aus welchen „untergeordneten“ Teilen ein jeweils „übergeordnetes“ Teil zusammengebaut wird. Das AS würde also z. B. feststellen, dass pro Pkw einschließlich Ersatzrad fünf Räder benötigt werden. Die Baugruppe „Rad“ würde es wieder in je eine Felge, einen Reifen und vier Befestigungsschrauben auflösen usw. So werden zunächst die Bruttobedarfe der Baugruppen und Einzelteile errechnet. Stellt man diese den Vorräten gegenüber, so erhält man Nettobedarfe. Das AS prüft auch, ob sich durch die Bündelung von Bedarfen für verschiedene Zukunftsperioden kostengünstige Lose ergeben. Bei dieser Materialbedarfsplanung wird der Übergang zur folgenden Terminplanung dadurch vollzogen, dass das System die Vorlaufzeit berücksichtigt. Dies ist die Zeitspanne, um welche die untergeordnete Komponente früher bereitstehen muss als die übergeordnete, damit die nachgeordneten Teile rechtzeitig zusammenmontiert werden können. Das Resultat der Prozedur sind grob geplante Betriebs- bzw. Fertigungs- bzw. Produktionsaufträge oder (bei Fremdbezugsteilen) Bedarfe, die an die Bestelldisposition (Abschnitt 4.1.4.1) transferiert werden.

4 Integrierte Anwendungssysteme

4.1.6.3

97

Durchlaufterminierung

Während bei der Mengenplanung mithilfe der Vorlaufverschiebung die Bereitstellungstermine, also die Zeitpunkte, zu denen ein Teil abzuliefern ist, ermittelt wurden, hat die Durchlaufterminierung die Starttermine der einzelnen Arbeitsgänge vorzugeben. Arbeitsplan Betriebsauftrag: M Arbeitsplan Betriebsauftrag: C Arbeitsplan Betriebsauftrag: B Dauer Arbeitsplan Betriebsauftrag: A in Min. Arbeitsgang 1 2 3

Dauer in Min. 30 20 8

Starttermin M Ablieferungstermin A, B, C

Starttermin C

Endtermin M

Betriebsauftrag A AG1

AG2 AG3

Betriebsauftrag B AG1

AG3

AG2

Betriebsauftrag M AG1

AG2

AG3

Betriebsauftrag C AG1

AG2

AG3

AG4

AG5

Terminierungsrichtung AG1, AG2, ..., AGn = Arbeitsgänge je Betriebsauftrag

Zeit

Abb. 4.1.6.3/1 Rückwärtsterminierung

Eine Methode dazu ist die Rückwärtsterminierung, die von den in der Materialbedarfsplanung geforderten Ablieferungsterminen in Richtung Gegenwart rechnet. Als Beispiel dient in Abbildung 4.1.6.3/1 der Betriebsauftrag M in der Montage, der die Endprodukte der Betriebsaufträge A, B und C benötigt. Man beachte, dass in dieser Phase keine Wartezeiten, wie sie durch Kapazitätsengpässe entstehen, berücksichtigt werden. Mit anderen Worten: Es wird mit der vereinfachenden Prämisse „Kapazität ist unendlich“ gearbeitet („infinite loading“). Besonderheiten treten dann auf, wenn das AS feststellt, dass ein Arbeitsgang schon mehrere Tage oder gar Wochen „vor der Gegenwart“ hätte beginnen müssen (manche Studentinnen und Studenten gewinnen solche Erkenntnisse bei der Herstellung des Produktes „Examen“ auch!). Um zu verhindern, dass dann wegen der späteren Ablieferungstermine die bisherige Produktionsplanung revidiert werden muss, wird das AS versuchen, die

98

4.1 Informationsverarbeitung im Industriebetrieb

Durchlaufzeiten gegenüber den Planwerten zu verkürzen. Beispielsweise kann es prüfen, ob für einen Arbeitsgang mehrere Maschinen zur Verfügung stehen, und dann ein Los auf zwei oder mehr Betriebsmittel splitten, die sich die Arbeit „teilen“. Das System muss dabei mithilfe von Parametern, die die Fertigungsleitung vorgegeben hat, abwägen, welche Durchlaufzeitverkürzung mit welchem Aufwand für das zusätzliche Rüsten der zweiten, dritten usw. Maschine erkauft werden darf. 4.1.6.4

Kapazitätsausgleich

Wenn in der Durchlaufterminierung auf Kapazitäten keine Rücksicht genommen wurde (s. o.), kann es vorkommen, dass in einzelnen Perioden bestimmte Arbeitsplätze stark über-, andere unterlastet sind (vgl. Abbildung 4.1.6.4/1). Kapazitätsbelastung Kapazitätsschranke

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12

Bereich des Kapazitätsausgleichs

Zeit (Perioden)

Abb. 4.1.6.4/1 Kapazitätsausgleich

Hier setzt der Kapazitätsausgleich ein. Sie mögen auf einen Blick erkennen, dass es beispielsweise gilt, den „Gipfel“ in Periode 10 in das „Tal“ der Periode 9 „zu kippen“. Der Mensch sieht dieses auf Grund seiner Mustererkennungsfähigkeiten, in denen er einem Computer nach wie vor deutlich überlegen ist. Daher wird man in vielen Fällen nicht versuchen, den Kapazitätsausgleich zu automatisieren, sondern das Kapazitätsgebirge am Bildschirm eines Leitstandes (siehe Abschnitt 4.1.6.7) anzeigen und dazu Informationen liefern, welche einzelnen Produktions- und Kundenaufträge zur Last in einer bestimmten Periode beitragen. Die Umdisposition obliegt dann dem Fertigungsplaner. Sie mögen das Empfinden haben, dass das Nacheinander von Durchlaufterminierung und Kapazitätsausgleich umständlich ist. In der Tat versucht man, mithilfe von APS diese Zweiteilung zu beseitigen und schon bei der Durchlaufterminierung Kapazitätsgrenzen zu berücksichtigen („finite loading“) . 4.1.6.5

Verfügbarkeitsprüfung

Es wäre misslich, wenn der Computer den Start eines Betriebsauftrages in einer Werkstatt auslöste, den diese nicht ausführen könnte, weil in der gleichen Periode eine Maschine zwecks Wartung stillgelegt, Fremdbezugsmaterial auf

4 Integrierte Anwendungssysteme

99

Grund von Verspätungen beim Lieferanten nicht rechtzeitig eingetroffen oder ein Steuerprogramm (NC-Programm) noch nicht geschrieben ist. Vielleicht hat auch das Personal mit der nötigen Qualifikation an dem betreffenden Tag Urlaub. Aufgabe der Verfügbarkeitsprüfung ist es daher, solche Produktionsaufträge auszusondern, für die irgendwelche Ressourcen fehlen (siehe auch Abschnitt 4.4.3). 4.1.6.6

Auftragsfreigabe

Die Auftragsfreigabe wählt parametergesteuert aus den Aufträgen, welche die Verfügbarkeitsprüfung bestanden haben, eine Teilmenge für die eigentliche Produktion aus. Zu selektieren wären also beispielsweise alle Betriebsaufträge, die gemäß Durchlaufterminierung in der Zeitspanne „Freigabetag + zehn Arbeitstage“ beginnen müssen. 4.1.6.7

Werkstattsteuerung

Aufgabe der Werkstattsteuerung ist es, eine Bearbeitungsreihenfolge der Aufträge an einem Arbeitsplatz zu finden, die bestimmte Ziele möglichst gut erfüllt. Solche Ziele können minimale Gesamtdurchlaufzeit der Lose minimale Kapitalbindung, maximale Kapazitätsauslastung, minimale Umrüstkosten, maximale Terminsicherheit oder auch Einfachheit der Steuerungsverfahren sein. Da in den einzelnen Branchen, in verschiedenen strategischen Lagen oder in unterschiedlichen Konjunkturphasen das Gewicht der Ziele stark schwankt, ergeben sich sehr komplexe Steuerungsaufgaben. Ansätze zur Steuerung kann man danach gliedern, ob das nächste an einer gerade frei werdenden Maschine zu bearbeitende Los bestimmt werden soll oder ob es mehr darauf ankommt, anstehenden Produktionsaufträgen geeignete Betriebsmittel zuzuteilen, wenn mehrere zur Wahl stehen. Letzteres gilt z. B. in Walzwerken oder auch in der Papierindustrie, dort in Verbindung mit Verschnittproblemen. Durch Anwendung von Prioritätsregeln lassen sich die aktuellen Zielausprägungen verhältnismäßig gut berücksichtigen. Legt man ein rechnergestütztes Steuerungssystem z. B. so aus, dass es unter mehreren vor einem Engpass wartenden Losen zunächst jenes auswählt, das am besten zum aktuellen Rüstzustand des Betriebsmittels passt, so werden tendenziell die Umrüstkosten niedrig. Entscheidet man sich hingegen dafür, das Los zu priorisieren, welches das meiste Kapital bindet, so werden kapitalintensive Produkte rascher durch die Werkstatt geschleust und im Endeffekt die gesamte Kapitalbindung reduziert. Wo wegen der skizzierten Komplexität eine weitgehend automatische Steuerung (noch) nicht möglich ist, werden oft Fertigungsleitstände eingesetzt, die personelle Dispositionen erleichtern. Mit geeigneten Benutzungsoberflächen wird dem Leitstandpersonal die aktuelle Fertigungssituation

100

4.1 Informationsverarbeitung im Industriebetrieb

(z. B. Kapazitätsauslastung von Engpässen, unbeschäftigte Maschinen, verspätete Aufträge, Sicherheitsbestände, nicht verfügbare Ressourcen (siehe Abschnitt 4.1.6.5)) angezeigt. Die Werkstattsteuerung gibt die für die Produktion notwendigen Dokumente (Laufkarten, Lohnscheine, Materialbelege, Qualitätsprüfscheine u. a.) aus. Es ist zweckmäßig, diese maschinell lesbar zu gestalten (z. B. indem sie einen Barcode tragen); dann können sie nach Rückkehr aus den Fertigungsstätten wieder in die Rechenanlage eingelesen werden („Rücklaufdatenträger“) (siehe Abschnitt 4.1.6.10). In manchen Betrieben verzichtet man auf die Ausgabe solcher Dokumente; stattdessen erkennen die Arbeitskräfte auf ihren Bildschirmen, was sie wie herstellen sollen („papierlose Fabrik“). 4.1.6.8

Computergestützte Produktion/CAM

Der Begriff CAM (Computer-aided Manufacturing) umfasst nicht nur die IVUnterstützung der physischen Produktion im engeren Sinne, sondern auch Systeme, welche einer Automatisierung der Funktionen Transportieren, Lagern, Prüfen und Verpacken dienen. Im CAM werden nummerisch gesteuerte Maschinen (NC-Maschinen) verwaltet sowie Fertigungszellen und Flexible Fertigungssysteme (FFS), Prozesse (z. B. in der Chemischen Industrie), Roboter (Robot-Control, RC) und verschiedenartige Transportsysteme gesteuert. Hinzu kommt die Verwaltung von Lagern, insbesondere von Pufferlagern in der Fertigung. Es wird angestrebt, mit CAM den Materialfluss über mehrere Phasen zu begleiten (vgl. Abbildung 4.1.6.8/1, siehe auch [Mertens 01, S. 182-187]). Ein umfassendes CAM-System rüstet Betriebsmittel automatisch mit Werkzeugen, erfasst deren Stillstands- und Bearbeitungszeiten, erkennt verbrauchte oder defekte Werkzeuge und wechselt diese aus. Weiterhin werden die Werkstücke bzw. das Material entsprechend den Produktionsplänen den Lagern entnommen, den Betriebsmitteln in günstiger Reihenfolge zugeführt (z. B. in einem FFS so, dass möglichst wenig Rüstvorgänge erforderlich sind) und die physischen Fertigungsprozesse gesteuert (z. B. das Setzen eines Schweißpunktes durch einen Roboter oder die Drehgeschwindigkeit eines Bohrers). Darüber hinaus werden Fahrerlose Transportsysteme (FTS) dirigiert, das Fertigerzeugnis verpackt und für den Versand bereitgestellt. Man gelangt so zur „menschenarmen Fabrik“, in der Personen lediglich kontrollierende Tätigkeiten ausüben. Die Koordination obliegt oft einem Leitrechner bzw. einem Produktionsleitsystem, das aus mehreren vernetzten Rechnern bestehen kann. Ein Leitsystem als CAM-Komponente ist nicht mit einem Leitstand als Teil eines PPS-Systems (siehe Abschnitt 4.1.6.7) gleichzusetzen.

4 Integrierte Anwendungssysteme

101

Abb. 4.1.6.8/1 CAM und Materialfluss

Wesentlich für die Verwirklichung von CAM ist eine intensive Informationsübertragung zwischen Rechnern verschiedener Hierarchieebenen und Fertigungs-, Transport-, Lager- sowie eventuell Prüfaggregaten. 4.1.6.9

Qualitätssicherung/CAQ

Die Sicherung der Produktionsqualität wird häufig auch mit dem Begriff Computer-aided Quality-Assurance (CAQ) umschrieben. In einem weiteren Verständnis umfasst CAQ zudem die Steuerung der Produktqualität im Entwurfsstadium (siehe Abschnitt 4.1.2.1), die Güteprüfung im Wareneingang (siehe Abschnitt 4.1.4.4), die Wartung oder Reparatur der ausgelieferten Geräte oder Maschinen beim Kunden und die Bearbeitung von Reklamationen. Dadurch nähert man sich dem „Total-Quality-Management“ (TQM). In modernen Lösungen veranlasst ein AS individuelle Prüfungen (z. B. elektrische Messungen, Oberflächenprüfungen, physikalisch-chemische oder mikrobiologische Untersuchungen). Wenn nicht durchgehend alle Produkte geprüft werden, sondern die Rechenanlage Auflagen auf Grund von Stichproben macht, erreicht man neben einer Rationalisierung auch den u. U. wünschenswerten Überraschungseffekt. 4.1.6.10 Betriebsdatenerfassung

Bei der Betriebsdatenerfassung (BDE) werden aus der Fertigung zurückkehrende Meldungen (z. B. Zeit-, Mengen-, Lohn-, Materialentnahme-, Qualitätskontrolldaten) in die Rechenanlage eingelesen und bei den Vormerkdaten der veranlassten Produktionsaufträge gebucht. Die Herausforderung bei der Weiterentwicklung der BDE-Systeme liegt zum einen darin, möglichst viele Daten automatisch zu erfassen, z. B. von Fertigungsaggregaten, Transportgeräten oder Prüfautomaten (Maschinendatenerfassung, MDE) oder unmittelbar aus einem Prozess (Prozessdatenerfassung, PDE). So ist es beispielsweise möglich, die Menge des in einem pharmazeutischen Unternehmen hergestellten Granulates an einer mit dem Rechner gekoppelten Wiegestation festzustellen. Zum anderen ist es wichtig, die – gerade bei MDE und PDE – große Flut der eintreffenden Daten weitgehend automatisch auf Richtigkeit und Plausibi-

102

4.1 Informationsverarbeitung im Industriebetrieb

lität zu prüfen, denn ähnlich wie die Auftragserfassung (siehe Abschnitt 4.1.3.3) ist auch die BDE ein wichtiger Eingangspunkt in die integrierte IV, sodass Irrtümer bei der Erfassung leicht zahlreiche Folgefehler auslösen. Eine automatische MDE erlaubt ganz neue sog. Betreibermodelle. So experimentiert die Ford-Werke AG mit Vereinbarungen, wonach Werkzeugmaschinen nicht gekauft werden, sondern Eigentum der Hersteller bleiben. Ford bezahlt dann einen Preis pro Nutzungseinheit, z. B. pro Karosserie, die mit einer Presse geformt, oder gar pro Schweißpunkt, der von einem Schweißroboter gesetzt wurde [Schardt 03, S. 443-482] 4.1.6.11 Produktionsfortschrittskontrolle

Das AS Produktionsfortschrittskontrolle nutzt die BDE-/MDE-/PDE-Daten, um den Fertigungsfortschritt zu erkennen. Drohen Terminversäumnisse, so gibt es Mahnungen aus.

4.1.7 Versand 4.1.7.1

Zuteilung

Zuteilungsüberlegungen sind immer dann anzustellen, wenn keine vollständige Kundenauftragsfertigung von der untersten Produktionsstufe an vorliegt. Im einfachsten Fall sortiert das AS bei jedem Lauf die neu eingetroffenen Kundenaufträge nach Lieferterminen und innerhalb der Liefertermine nach kunden- oder auftragsgrößenabhängigen Prioritäten. Dann werden aus den vorhandenen effektiven Lagerbeständen die anstehenden Kundenaufträge so lange bedient, wie der Vorrat reicht [Mertens 01, S. 214-217]. Für viele praktische Zwecke genügt diese einfache Prozedur nicht. Beispielsweise sind für besonders wichtige Kunden Lagerbestände auch dann zu reservieren, falls die Auslieferung erst viel später fällig ist, oder man muss verhindern, dass sehr kleine Stückzahlen (etwa bei einem Strickwarenhersteller nur einzelne Größen eines Pullovers bestimmter Farbe) zugeteilt werden, wenn die ergänzenden Positionen vorerst nicht eintreffen. Für derartige Zuteilungsprogramme muss der Wirtschaftsinformatiker u. U. komplizierte Regelwerke entwickeln. 4.1.7.2

Lieferfreigabe

Aufgabe dieses AS ist es, zu überprüfen, ob die vom Zuteilungsprogramm zu den Kundenbestellungen akkumulierten Lieferpositionen zum Versand gebracht werden können. Einfach ist dies, wenn rechtzeitig vor dem bestätigten Liefertermin der Kundenauftrag komplett lieferbereit ist. Schwerer hat es ein solches Dispositionssystem, wenn zum