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Deployment of Mathematical Simulation Models for Space Management

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Deployment of Mathematical Simulation Models for Space Management Diese Dissertation haben begutachtet: DISSERTATION Deployment of Mathematical Simulation Models for Space Management Ausgef¨uhrtzum Zwecke der Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der technischen Wissenschaften unter der Leitung von Ao. Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Felix Breitenecker Institut f¨urAnalysis und Scientific Computing (E101) eingereicht an der Technischen Universit¨atWien Fakult¨atf¨urMathematik und Geoinformation von Stefanˇ Emrich Matrikelnummer: 0026203 Parkulica 32 A-7304 Veliki Boriˇstof Ort, Datum Unterschrift \In this new era of living within the means of one planet, GDP has become a less valuable indicator of progress." { Global Footprint Network Abstract Buildings are responsible for roughly one third of greenhouse gas (GHG) emis- sions within developed countries, yet space utilization efficiency is still a widely unidentified topic. With the sector only starting to become aware of it as a means to reduce GHG emissions and save (financial) resources there are hardly any strategies to improve space utilization efficiency. Mathematical modeling and simulation (MMS) offers a wide variety of tools and approaches to analyze and improve systems and for producing answers to problems that cannot (or only at a very high \price") be answered in real life. Yet, at the time being MMS is generally not being used in the realm of real estate management. This thesis' original contribution to knowledge is bridging the gap between space management and MMS, covering multiple aspects of the problem. First an introduction to the problem of space utilization and management, including identification of potentially interesting objects (educational facilities) and (legal) obstacles, is given. Next the classical definition of the MMS-process is expanded in order to reduce chances for misunderstandings and poor project-design in MMS-projects, followed by an evaluation of the mathematical options for im- provement of space utilization, which shows a lack of practical solutions to solve real-world problems in this area (timetabling and scheduling). Subsequently the focus is shifted from timetabling to room allocation, for which a tool-set is assembled. This includes methods for system analysis, model-deployment and -integration and approaches for mathematical modeling of the respective sys- tems. For system analysis the Business Process Modelling Notation (BPMN) is adapted for improved efficiency and the Stakeholder Analysis (SHA) process is formalized. For model-deployment methods from computer sciences (Entity Relationship Modelling) are transferred and combined with techniques from information visualization. Based on this a guideline for deployment of mathe- matical simulation models is created, which allows identification of obstacles for model-deployment within real-world systems and provides options for project modification to overcome those. Finally mathematical definitions are intro- duced, allowing formalization and quantification of the problems faced in space management. This elaborated theoretic base is put to test in a case study at Vienna Uni- versity of Technology (TU Vienna). In the course of the project it is found that the institutional obstacles (identified at the very beginning) hinder great improvement. Workarounds, based on the developed deployment guideline, still allow for a reasonable outcome of the simulation project. In the hope that finan- cial savings are a sufficiently strong motivation for a thorough implementation in the private sector, an outlook is given for improvement of space utilization iii iv in the field of office buildings. For this a dynamic, agent-based (AB) simulation model is developed and presented along with general results for this business area. The thesis shows the big potential that MMS offers for improvement of space management utilization. Besides providing the tools for practitioners of both areas (MMS and real estate development) which should allow improved interdisciplinary cooperation, recommendations are given to overcome the (in- stitutional) obstacles that remain. Kurzfassung In den entwickelten L¨andern Europas sind Geb¨aude fur¨ etwa ein Drittel aller Treibhausgasemissionen verantwortlich. Nichtsdestotrotz ist die effiziente Nut- zung (hohe Auslastung) von R¨aumen ein weitgehend unbekanntes Thema, wel- ches als M¨oglichkeit zur Senkung von Kosten und Emissionen von der Branche erst entdeckt wird. Bedingt durch diese Tatsache existieren bislang auch kaum Strategien zur Effizienzsteigerung in diesem Bereich. Mathematische Modellbildung und Simulation (MMS) bietet eine breite Pa- lette an Werkzeugen und Ans¨atzen um Systeme zu analysieren und zu verbes- sern, beziehungsweise um Antworten auf Fragen zu finden, die in der Realit¨at nicht oder nur zu einem extrem hohen \Preis" beantwortet werden k¨onnen. Bis- lang wird MMS jedoch im Allgemeinen in der Immobilienbranche nicht genutzt. Der Beitrag dieser Dissertation liegt darin, die oben beschriebene Lucke¨ zwischen Fl¨achennutzung beziehungsweise Fl¨achenmanagement und MMS zu schließen. Als Einleitung wird das Problem der Raumnutzung/des Fl¨achenma- nagements samt Identifikation von potentiell interessanten Objekten (Schul- und Universit¨atsgeb¨aude) und der (rechtlichen) Hurden¨ er¨ortert. Danach wird die klassische Definition des MMS-Prozesses erweitert, um das Risiko von Missver- st¨andnissen und schlechtem Projektdesign bei MMS-Projekten zu reduzieren. Es folgt eine Evaluierung der mathematischen Optionen zur Verbesserung der Fl¨achennutzung, welche einen Mangel an praktikablen L¨osungen fur¨ reale An- wendungsf¨alle auf diesem Gebiet (Timetabling und Scheduling) feststellt. Es wird daher der Fokus vom Timetabling auf Raum-Kontingentierung verlegt, wofur¨ eine entsprechende \Werkzeugsammlung" entwickelt wird. Diese umfasst Methoden fur¨ die Systemanalyse, den Modelleinsatz und die -einbettung sowie Ans¨atze fur¨ die mathematische Modellierung respektiver Systeme. Fur¨ die Sy- stemanalyse werden die Business Process Modelling Notation (BPMN) zugun- sten besserer Lesbarkeit modifiziert und der Prozess der Stakeholder Analyse (SHA) formalisiert. Fur¨ die Unterstutzung¨ beim Modelleinsatz werden Metho- den aus der Informatik (Entity Relationship Modelling) transferiert und mit Techniken aus der Informationsvisualisierung kombiniert. Darauf basierend wird ein Leitfaden fur¨ die Einsatzplanung entwickelt, mittels welchem Hindernisse bei der Modelleinbettung im Realsystem identifiziert werden und entsprechen- de Projektmodifikationen durchgefuhrt¨ werden k¨onnen. Schließlich werden ma- thematische Definitionen entwickelt welche es erm¨oglichen die Probleme der Fl¨achennutzung zu formalisieren und zu quantifizieren. Dieser entwickelte \Werkzeugkasten" wird in einer Fallstudie an der TU Wien angewandt und auf seine Tauglichkeit hin gepruft.¨ Im Zuge dieses Projek- tes muss jedoch festgestellt werden, dass die (anfangs identifizierten) institutio- nellen Hindernisse den geplanten Einsatz behindern. Mithilfe des entwickelten v vi Leitfadens k¨onnen jedoch Behelfsl¨osungen erarbeitet werden, welche zu einem vernunftigen¨ Ergebnissen fuhren.¨ In der Hoffnung, dass in der Privatwirtschaft finanzielle Einsparungen ein hinreichender Anreiz fur¨ eine konsequente Umset- zung von entsprechenden Projekten sind, wird ein dynamisches, agentenbasier- tes Simulationsmodell fur¨ Burofl¨ ¨achen entwickelt. Dieses Modell wird zusammen mit allgemeinen Ergebnissen fur¨ diesen Anwendungsbereich pr¨asentiert. Die Dissertation zeigt das große Potential fur¨ die Verbesserung der Fl¨achen- nutzungsintensit¨at mittels MMS. Neben der Entwicklung und Bereitstellung von Methoden fur¨ Anwender beider Disziplinen (MMS und Fl¨achenmanagement), welche die interdisziplin¨are Kooperation verbessern sollten, werden Empfehlun- gen fur¨ die Beseitigung der verbliebenen (institutionellen) Hindernisse ausge- sprochen. Zahvalne riˇci Hvala, vam dragi roditelji, dragi brati, draga obitelj i predse draga Evica. Bez vaˇsega podupiranja i motiviranja bi proˇslaljeta bila ˇcudateˇza.A tebi Evica i hvala da sam smio pisati dio ovoga djela kod tebe u Sibirskoj zimi Kemerovi. Zahvalim se mojemu profesoru Felixu Breiteneckeru, ki mi nije omogu´cio \samo" disertaciju (i pred tim diplomsko djelo), nego se je i uvijek trudio istaknut ˇsirju sliku kraj granice univerziteta i struke i me je na tom putu poslao za projekt na ETH. Cimˇ sam i jur kod mojega drugoga profesora Dietmara Wieganda, komu se zahvalim { osim za ugled u arhitekturu i menedˇzment projektov { za upoznanje s Frankfurtskom ˇskolom i njegov trening akribiˇcnomu djelovanju. Oba dvim se zahvalim za veliku slobodu ku sam imao pri istraˇzivanju i pisanju ovoga djela. Srdaˇcnahvala Nikiu Popperu i kolegam iz dwh-a | bez njih i plodnih razgovorov uz, za i pod dwh-ˇsonkom bi vjerojatno joˇsuvijek nebi bio zavrˇsioovo djelo. Hvala i ostalim kolegicam, kolegam, prijateljicam i prijateljam skimi sam ˇcuda puti diskutirao i tako naˇsaosvoj put kroz dˇzungludisertacije. Thank you, dear parents, brothers, family and Evica. Without your support and motivation the past few years would have been much more tiresome. Thank you Evica also for giving me the opportunity to write a part of this thesis when staying with you in Kemerovo's Siberian winter. A big thank you goes to my professor Felix Breitenecker who not only gave me the chance of writing this thesis, but also for pointing out the importance of looking outside of one's area of specialization and over universities' horizons | which eventually led me to work at a project at the ETH Z¨urich. Which brings
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