Systems Engineering in der Produktentwicklung: Verständnis, Theorie und Praxis aus ingenieurswissenschaftlicher Sicht

Ein System ist nach ropohl eine Darstellungsform, durch die ein Ausschnitt der Wirklichkeit abgebildet wird. Die Wirklichkeit wiederum wird vom Menschen in „perspektivische Konstruktionen und Interpretationen“ (Ropohl 2012) untergliedert. Was bedeutet, dass der Mensch die Wirklichkeit aus seiner subjektiven Sicht in Systeme, also Zusammenhangsgeflechte, einteilt. Die Zusammenhänge zwischen einigen Elementen sind dabei nachweisbar vorhanden, zwischen anderen jedoch nicht. Elemente, zwischen denen ein Zusammenhang eindeutig identifizierbar ist, werden nach ropohl als Ganzheit bezeichnet. Diese Ganzheiten sind die Untersuchungsobjekte der allgemeinen Systemtheorie (Ropohl 1975). Durch die Systemtheorie werden aus diesen Ganzheiten Systeme konstruiert, die den für eine Betrachtung relevanten Teil der Ganzheit umfassen (Ropohl 2012).

Systeme sind keine natürlichen Gebilde, sondern Modelle des menschlichen Denkens (Ropohl 2012). Hiermit wird die allgemeine Systemtheorie zu einer „operativen Theorie über die Art und Weise, wie man Modelle von beliebigen ganzheitlichen Erfahrungsbereichen konstruiert“ (Ropohl 2012).

Hieraus folgt, dass im Sinne der allgemeinen Systemtheorie ein System ein Modell einer Ganzheit ist. „Ein System bildet eine Ganzheit ab, berücksichtigt dabei aber nur ausgewählte Eigenschaften der Ganzheit und ist nur für einen Teil von Menschen eine gewisse Zeitlang für bestimmte Formen des Denkens und Handelns relevant“ (Ropohl 2012). Ein solches Modell bzw. System muss einer kritischen Prüfung standhalten können, nur dann kann es den gewünschten Zweck erfüllen. Die allgemeine Systemtheorie führt drei formale Konzepte für Systeme ein, die jeweils unterschiedliche Inhalte abbilden und sich damit für unterschiedliche Zielsetzungen eignen:

Die zuvor genannten Systemkonzepte schließen sich dabei nicht untereinander aus, sondern können auch miteinander verbunden werden, um Systeme mit einer bestimmten Zielsetzung zu beschreiben.

Die drei zuvor erläuterten Systemkonzepte und die Begriffe des Systems und des Modells spielen im Kontext des Systems Engineerings eine wichtige Rolle. Der Begriff Systems Engineering selbst und die Frage was er eigentlich umfasst können aber nicht abschließend definiert werden.

Der international council of systems engineering (INCOSE) definiert Systems Engineering wie folgt: „Systems Engineering (SE) ist ein interdisziplinärer Ansatz zur Unterstützung der Realisierung von erfolgreichen Systemen. SE fokussiert darauf, die Kundenbedürfnisse und die geforderte Funktionalität möglichst früh im Entwicklungsprozess zu definieren, die Anforderungen zu dokumentieren und dann mit dem Systementwurf und der Systemvalidierung fortzufahren, während dabei zugleich das gesamte Problem im Blick behalten wird, einschließlich der Verwendung, der Kosten und dem Zeitplan, der Leistungswerte, der Schulungsmaßnahmen und der Unterstützungsmaßnahmen, der Nachweise und Zertifizierungen, der Herstellung und der Entsorgung des Systems. Durch SE werden alle Fachdisziplinen in einem Teamansatz zusammengefasst, in dem ein strukturierter Entwicklungsprozess vom Konzept über die Herstellung bis zur Verwendung des Systems bechrieben wird. Systems Engineering betrachtet sowohl die wirtschaftlichen als auch die technisches Bedarfe aller Kunden, mit dem Ziel, ein qualitativ hochwertiges Produkt zu schaffen, das den Bedarf des Kunden gerecht wird.“ (Walden et al. 2017). Die Definition fasst sehr kompakt viele Merkmale des Systems Engineerings zusammen. Ein wesentliches Merkmal des Systems Engineerings ist die Interdisziplinarität. Im Sinne des Systems Engineerings arbeiten wenigstens die Disziplinen Mechanik, Elektrik/Elektronik und Informatik/Softwareentwicklung während der Entwicklung technischer Systeme als Team zusammen. Die Fokussierung auf den Kunden ist ein weiteres wesentliches Merkmal. Im Sinne des Systems Engineerings beginnt die Produktentwicklung mit der Erfassung der vom Kunden gestellten Anforderungen in Bezug auf das spätere Produkt und dessen Funktionalitäten. Ausgehend davon werden die Anforderungen anderer Anspruchsgruppen an das Produkt sowie Randbedingungen, die sich aus dem möglichen Einsatzorten ergeben, systematisch erfasst. Bezogen auf das Beispiel der Küchenmaschine sind mögliche Funktionalitäten eine integriete Waage oder unterschiedliche Garprogramme mit definierten Temperatur- und Gewinschwindigkeitsprofilen des Quirls. Als Randbedingungen sind gebräuchliche Oberflächeneigenschaften von Küchenarbeitsplatten zu berücksichtigen, um auch bei hohen Rühergeschwindigkeiten einen sicheren Stand der Küchenmaschine zu gewährleisten. Im weiteren Verlauf der Entwicklung sind diese Anforderungen wichtiger Input für die einzelnen Entwicklungsaktivitäten und dienen während der Realisierung des Produktes als Basis für durchzuführende Tests während der Validierung des Produktes, um sicherzustellen, dass das entwickelte Produkt den Anfangs ermittelten Anforderungen entspricht und die Kundenbedürfnisse erfüllt.

Systems Engineering kann auch als eine Meta-Disziplin, die u. a. den Informationsfluss zwischen den einzelnen Disziplinen (bspw. Software‑, Elektronik- und Mechanik-Entwicklung) durch die Bereitstellung geeigneter Schnittstellen und Prozesse unterstützt und die Entwicklung der unter den gesetzten Randbedingungen bestmöglichen Lösung zum Ziel hat, verstanden werden (Weilkiens 2014; Friedenthal et al. 2015). Um dieses Ziel zu erreichen werden im Systems Engineering nicht nur die reine technische Entwicklung, sondern auch Aspekte des Projektmanagements im Zusammenspiel berücksichtigt (Haberfellner et al. 2019).

Durch die zuvor genannte Definition und die weiteren Aspekte wird letztlich ein sehr großer Definitionsraum für das Systems Engineering aufgespannt, in dem sich viele unterschiedlichste Ansätze, Methoden und Prozesse verorten lassen. Um die Vielfalt der möglichen Ansätze im Systems Engineering kurz aufzuzeigen, werden im folgenden drei beispielhafte Ansätz und ihre mögliche Anwendung im Kontext des Beispiels der Küchenmaschine genannt.

Mit einem Ansatz zur modellbasierten Beschreibung des zu entwickelnden Systems (Inkermann et al. 2019) können für eine Küchenmaschine, ausgehend von den Kundenbedüfnissen, Funktionalitäten abgeleitet und detailliert beschrieben werden. Darauf aufbauend wird die Struktur der Küchenmaschine, also die für die Umsetzung der Funktionalitäten erforderlichen Elemente aus den Disziplinen Mechanik, Elektronik oder Software sowie deren Verknüpfungen beschrieben. Für die Küchenmaschine bedeutet dies bspw. dass sie einen Motor hat, der mit einer Steuerung verbunden ist und der Quirl über eine Kupplung mit dem Motor verbunden wird. Diese drei Elemente tragen zusammen dazu bei Garprogramm mit den Geschwindigkeitsprofilen des Quirls zu realisieren.

Darüber hinaus können mit Ansätzen zur Beschreibung der Konfigurationsräume von Produktlinien (Huth et al. 2017) bspw. Kombinationsmöglichkeiten von Zusatzgeräten und unterschiedlichen Generationen/Varianten einer Küchenmaschine abgebildet werden. Weitere Systems Engineering Ansätze betrachten die Entwicklungsorganisation im Unternehmen als System und versuchen dieses mit seinen Elementen (Prozesse, Rollen, Menschen, Produktinformationen und Werkzeuge) zu beschreiben und damit die Einführung der zuvor genannten Systems Engineering Ansätze in Unternehmen zu unterstützen (Huth et al. 2018).

Systems Engineering ist somit keine spezielle (Produktentwicklungs‑)Methode sondern entwickelt sich durch die Vielfältigkeit der unterschiedlichen Ansätze mehr und mehr zu einer eigenständigen Disziplin (Gausemeier et al. 2015; Walden et al. 2017).

Um den Unzulänglichkeiten früherer dokumentenbasierter Systems Engineering Ansätze (wie bspw. mangelnder Nachverfolgbarkeit von Abhängigkeiten zwischen Anforderungen und Systemelementen sowie Entscheidungen während der Entwicklung) zu begegnen, wurden und werden Ansätze zum sog. modellbasierten Systems Engineering (engl. Model-based Systems Engineering (MBSE)) entwickelt (Alt 2012). Ziel des Model-based Systems Engineerings ist es, die Ergebnisse verschiedener Entwicklungsaktivitäten in einem zentralen gemeinsamen Systemmodell zu dokumentieren und kontextspezifische Sichten (bspw. um die folgenden Fragen während der Produktentwicklung zu beantworten „Welche Kundenanforderungen sind für die Entwicklung der Steuerung der Küchenmaschine wichtig?“ oder „Welche Elemente der Maschine sind für die Funktionalität der integrierten Waage relevant und müssen bei einer Erhöhung des Messbereichs ggf. ausgetauscht werden?“) dieser Informationen und ihrer Abhängigkeiten generieren zu können. Das Model-based Systems Engineerings fordert daher den Übergang von heterogenen, dokumentenbasierten Produktmodellen zu konsistenten und vernetzten Produktmodellen. Die beteiligten Disziplinen nutzen die Modelle dabei als Informationsquelle und -senke, um ihre Arbeitsergebnisse zu dokumentieren und mit anderen Modellelementen in Beziehung zu setzen (Alt 2012). Die Modellierung des Systems ist für das Model-based Systems Engineerings von grundlegender Bedeutung. Für diese Modellierung werden auch wieder die Grundsätze der Systemtheorie angewandt. Die Modellierung basiert dabie auf den drei Elementen Sprache, Werkzeug und Methode. Die Methoden geben dabei in der Regel durch ein systematisches Vorgehen sowie eine Festlegung der im Modell abzubildenen Aspekte des technisches Systems (vgl. Ansätze im vorherigen Abschnitt) einen Rahmen für die Modellierung vor. Bestehende Standards für Modellierungssprachen wie UML (Object Management Group 2017b) oder SysML (Object Management Group 2017a) definieren die zu verwendenden Semantik und Syntax, und bilden im Rahmen der Methode die formale Grundlage für die Modellierung. Mittels in der Regel softwarebasierte Modellierungswerkzeuge werden die Modelle unter Einhaltung der Semantik und Syntax erstellt und Analysen (wie bspw. die Beziehung zwischen Kundenanforderungen und der Steuerung der Küchenmaschine) durchgeführt. Die im Model-based Systems Engineering verwendeten Sprachen sind dabei generischer Natur, um die Darstellung verschiedenartiger Systeme (z. B. Küchenmaschinen und Fahrzeugsysteme) gleichermaßen zu unterstützen.

Das Model-based Systems Engineering formalisiert das Systems Engineering durch den Einsatz von Modellen, um unter anderem folgende Ziele zu unterstützen (Borky und Bradley 2019):

Im Kern ist das Model-based Systems Engineering somit die konsequente Kombination des Systems Engineerings mit den Grundsätzen der modellbasierten objekt-orientierten Softwareentwicklung und bietet damit zusätzliche Möglichkeiten um die Entwicklung komplexer Systeme hanhabbar zu machen.

Um zu klären, wie Systems Engineering in der industriellen Praxis angekommen ist und eingesetzt wird wurden sowohl Systems Engineering Experten als auch Führungskräfte ohne explizite Systems Engineering Kenntnisse befragt (Gausemeier et al. 2015). Zu den mit Systems Engineering assoziierten Schlüsselbegriffen gehören u. a. Ganzheitliches Systemverständnis, Von der Anforderung bis zur Systementwicklung und Interdisziplinärer Ansatz (Gausemeier et al. 2015). Beim in der Industrie vorherrschende Systemverständnis scheint oft einzig das zu entwickelnde System auf eine systemische Art betrachtet zu werden. Das zu entwickelnde System kann aber natürlich auch in Zusammenhang mit weiteren „Systemen“, wie dem Unternehmen, dem Entwicklungsprojekt oder dem sozioökonomischen Umfeld stehen (Gausemeier et al. 2015). Aus der Studie lässt sich aber unter anderem zusammenfassen, dass in der industriellen Praxis in vielen Fällen ein interdisziplinärer Ansatz zur ganzheitlichen Entwicklung von Systemen unter dem Terminus System Engineering verstanden wird.

Neben dem Verständnis beleuchtet die genannte Studie auch die Erwartungen an Systems Engineering seitens der befragten Industrievertreter. Hier wurden unter anderem als erwartete Nutzen die Koordination der disziplinübergreifenden Zusammenarbeit, die Berücksichtigung aller Stakeholder und verbesserte Planung und Steuerung der Entwicklungsprojekte genannt (Gausemeier et al. 2015). Diesen erhofften Nutzen stehen aber natürlich auch Hindernisse gegenüber. Zu den am meisten genannten Hindernissen zählen die schlechte bis unmögliche Quantifizierbarkeit des Nutzens von Systems Engineering Ansätzen, die mangelnde Verfügbarkeit von Einführungsmethoden für Systems Engineering Ansätze und die fehlenden Kompetenzen bei den Mitarbeitern (Gausemeier et al. 2015). Letztere machen umfangreiche Weiterbildungsmaßnahmen bei der und für die Einführung von Systems Engineering in Unternehmen nötig. Kompetenzen gilt es dabei an Prozesse gekoppelt zu betrachten (Kauffeld und Paulsen 2018; zur nachhaltigen Weiterbildung vgl. Kauffeld 2016). In der Studie wird herausgestellt, dass gerade auch die heute angebotenen Studiengänge die Bedürfnisse der Industrie nach Systems Engineering Kompetenzen durch ihre in der Regel fachdisziplinspezifische Ausrichtung nicht abdecken können (Gausemeier et al. 2015).

Die Autoren der Studie kommen bezüglich des Einsatzes und Verständnisses von Systems Engineering in der Industrie zu folgendem Resümee: „Im deutschsprachigen Raum ist die Verbreitung von Systems Engineering stark branchenabhängig. So ist Systems Engineering in der Luft- und Raumfahrttechnik fest etabliert. In der Fahrzeugindustrie wird SE inzwischen als Befähiger gesehen, es gewinnt zunehmend an Bedeutung und wird von den OEMs vorangetrieben. Aber in der Breite, insbesondere dem in Deutschland stark mittelständisch geprägten Maschinen- und Anlagenbau, wird Systems Engineering trotz seiner hohen Bedeutung nicht eingesetzt.“ (Gausemeier et al. 2015) Hieraus folgt, dass es gerade Bezüglich der Einführung von Systems Engineering in den Unternehmen und auch der Transformation etablierter, oftmals unidisziplinärer, Entwicklungsstrukturen hin zu interdisziplinär ausgerichteten Entwicklungsorganisationen Unterstützungsbedarf gibt. Dieser Bedarf selbst kann nur durch interdisziplinäre Forschungsarbeiten der Arbeits- und Ingenieurswissenschaften adressiert werden, da in den Unternehmen vorhandenen Strukturen reorganisiert, Kompetenzen der Mitarbeiter gezielt erweitert und neue Entwicklungsmethoden eingeführt werden müssen.