Advanced Analytics in Operations Management and Information Systems: Methods and Applications [thesis]

Nikolai Werner Stein
2019
The digital transformation of business and society presents enormous potentials for companies across all sectors. Fueled by massive advances in data generation, computing power, and connectivity, modern organizations have access to gigantic amounts of data. Companies seek to establish data-driven decision cultures to leverage competitive advantages in terms of efficiency and effectiveness. While most companies focus on descriptive tools such as reporting, dashboards, and advanced visualization,
more » ... nced visualization, only a small fraction already leverages advanced analytics (i.e., predictive and prescriptive analytics) to foster data-driven decision-making today. Therefore, this thesis set out to investigate potential opportunities to leverage prescriptive analytics in four different independent parts. As predictive models are an essential prerequisite for prescriptive analytics, the first two parts of this work focus on predictive analytics. Building on state-of-the-art machine learning techniques, we showcase the development of a predictive model in the context of capacity planning and staffing at an IT consulting company. Subsequently, we focus on predictive analytics applications in the manufacturing sector. More specifically, we present a data science toolbox providing guidelines and best practices for modeling, feature engineering, and model interpretation to manufacturing decisionmakers. We showcase the application of this toolbox on a large data-set from a German manufacturing company. Merely using the improved forecasts provided by powerful predictive models enables decision-makers to generate additional business value in some situations. However, many complex tasks require elaborate operational planning procedures. Here, transforming additional information into valuable actions requires new planning algorithms. Therefore, the latter two parts of this thesis focus on prescriptive analytics. To this end, we analyze how prescriptive analytics can be utilized to determine policies for iii Abstract an optimal searcher path problem based on predictive models. While rapid advances in artificial intelligence research boost the predictive power of machine learning models, a model uncertainty remains in most settings. The last part of this work proposes a prescriptive approach that accounts for the fact that predictions are imperfect and that the arising uncertainty needs to be considered. More specifically, it presents a data-driven approach to sales-force scheduling. Based on a large data set, a model to predictive the benefit of additional sales effort is trained. Subsequently, the predictions, as well as the prediction quality, are embedded into the underlying team orienteering problem to determine optimized schedules. iv Kurzzusammenfassung Die digitale Transformation der Gesellschaft birgt enorme Potenziale für Unternehmen aus allen Sektoren. Diese verfügen aufgrund neuer Datenquellen, wachsender Rechenleistung und verbesserter Konnektivität über rasant steigende Datenmengen. Um im digitalen Wandel zu bestehen und Wettbewerbsvorteile in Bezug auf Effizienz und Effektivität heben zu können müssen Unternehmen die verfügbaren Daten nutzen und datengetriebene Entscheidungsprozesse etablieren. Dennoch verwendet die Mehrheit der Firmen lediglich Tools aus dem Bereich "descriptive analytics" und nur ein kleiner Teil der Unternehmen macht bereits heute von den Möglichkeiten der "predictive analytics" und "prescriptive analytics" Gebrauch. Ziel dieser Dissertation, die aus vier inhaltlich abgeschlossenen Teilen besteht, ist es, Einsatzmöglichkeiten von "prescriptive analytics" zu identifizieren. Da prädiktive Modelle eine wesentliche Voraussetzung für "prescriptive analytics" sind, thematisieren die ersten beiden Teile dieser Arbeit Verfahren aus dem Bereich "predictive analytics." Ausgehend von Verfahren des maschinellen Lernens wird zunächst die Entwicklung eines prädiktiven Modells am Beispiel der Kapazitäts-und Personalplanung bei einem IT-Beratungsunternehmen veranschaulicht. Im Anschluss wird eine Toolbox für Data Science Anwendungen entwickelt. Diese stellt Entscheidungsträgern Richtlinien und bewährte Verfahren für die Modellierung, das Feature Engineering und die Modellinterpretation zur Verfügung. Der Einsatz der Toolbox wird am Beispiel von Daten eines großen deutschen Industrieunternehmens veranschaulicht. Verbesserten Prognosen, die von leistungsfähigen Vorhersagemodellen bereitgestellt werden, erlauben es Entscheidungsträgern in einigen Situationen bessere Entscheidungen zu treffen und auf diese Weise einen Mehrwert zu generieren. In vielen komplexen Entscheidungssituationen ist die Ableitungen von besseren Politiken aus zur Verfügung stehenden Prognosen v Kurzzusammenfassung jedoch oft nicht trivial und erfordert die Entwicklung neuer Planungsalgorithmen. Aus diesem Grund fokussieren sich die letzten beiden Teile dieser Arbeit auf Verfahren aus dem Bereich "prescriptive analytics". Hierzu wird zunächst analysiert, wie die Vorhersagen prädiktiver Modelle in präskriptive Politiken zur Lösung eines "Optimal Searcher Path Problem" übersetzt werden können. Trotz beeindruckender Fortschritte in der Forschung im Bereich künstlicher Intelligenz sind die Vorhersagen prädiktiver Modelle auch heute noch mit einer gewissen Unsicherheit behaftet. Der letzte Teil dieser Arbeit schlägt einen präskriptiven Ansatz vor, der diese Unsicherheit berücksichtigt. Insbesondere wird ein datengetriebenes Verfahren für die Einsatzplanung im Außendienst entwickelt. Dieser Ansatz integriert Vorhersagen bezüglich der Erfolgswahrscheinlichkeiten und die Modellqualität des entsprechenden Vorhersagemodells in ein "Team Orienteering Problem.
doi:10.25972/opus-19266 fatcat:cs64g6xpfzhkjewylj3i5cv53q