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Inhaltsverzeichnis
1. Die Systems Engineering Vision 2035 der INCOSE
2. Neue Systemgrenzen für den Produktlebenszyklus
3. Alle Beteiligten integrieren – nicht nur Ingenieure
4. Zur Definition des Advanced Systems Engineering
5. Die Rolle der Künstlichen Intelligenz (KI)
6. V-Modell und agile Entwicklung
7. IoT-Ansätze und steigende Komplexität
8. Der praktische Nutzen für KMU
9. Zur GfSE
Die Systems Engineering Vision 2035 der INCOSE
KEM Konstruktion|Automation: Anlässlich der system:ability 2023 sprachen Sie, Herr Dr. Koch, über die „Systems Engineering Vision 2035“, die Lösungen für eine bessere Welt verspricht. Welche Idee steckt dahinter?
Dr.-Ing. Walter Koch (GfSE): Die Systems Engineering Vision 2035 wurde von dem International Council on Systems Engineering (INCOSE) als Dachorganisation für das Systems Engineering (SE) erarbeitet und von einer Reihe renommierter, mit dem SE vertrauter Personen reviewed – da steckt also echt Substanz drin. Im Kern bezieht sie sich unter anderem auf die Sustainability Development Goals der Vereinten Nationen und die Frage, wie das SE bei der Bewältigung dieser Herausforderungen unterstützen kann. Eine wichtige Erkenntnis aus meiner Sicht ist: Der Qualifizierungsbedarf für die Systems Engineers ist groß – und sie müssen sich Gehör bei den Entscheidungsträgern verschaffen!
Warum? Die Sustainability Development Goals der Vereinten Nationen sind globale Ziele – sie betreffen die gesamte Erdbevölkerung, also muss man die Umsetzung auch global angehen. Bildlich lässt sich das gut über die Aufnahmen der blauen Erde vom Mond aus gesehen verstehen: Sie ist ein „System“ innerhalb der menschenfeindlichen Umgebungsbedingungen des Weltraums – wir sollten die Erde also gut schützen, denn nur sie bietet uns die Umwelt, in der wir überleben können. Und genau dieser Gedanke stand im Fokus der Vision der INCOSE: Wie können wir die Erde als System gestalten und schützen? Dass wir diesen weiteren Schritt gehen, ist entscheidend.
Neue Systemgrenzen für den Produktlebenszyklus
KEM Konstruktion|Automation: Was bedeutet das konkret für die Produktentwicklung?
Koch: Nehmen wir den Produktlebenszyklus: Ich selbst bin lange Jahre immer dem Gedanken gefolgt, dass ausgehend von einer guten Idee ein Produkt realisiert wird, dieses ganz am Ende aber „tot“ ist – sinngemäß von der Wiege bis zur Bahre, im Englischen cradle to grave. Dieser Ansatz verschiebt sich nun hin zu einem „System“ mit Systemgrenzen am Ein- und Ausgang und damit cradle to cradle. Will heißen: Zu Beginn werden Materialien für die Gestaltung des „Systems“ verwendet und diese müssen am Ende des Produktlebens für eine weitere Verwendung zur Verfügung stehen.
Zu berücksichtigen sind dabei auch Energie- und Informationsflüsse. Erst wenn ich mit solch einem Ansatz in die Produktentwicklung gehe, kann ein nachhaltiges Produkt entstehen. Denn jetzt geht es bei der Produktgestaltung nicht nur darum, Materialabfälle zu vermeiden, sondern das Produkt selbst wiederzuverwenden. Das mag sich trivial anhören, letztlich verändert sich damit aber fundamental der Blick auf den Produktentwicklungsprozess und den Produktlebenszyklus. Und diesen Gedanken gilt es nun in die Organisationen, die Unternehmen zu tragen und dort auch praktisch umzusetzen.
Alle Beteiligten integrieren – nicht nur Ingenieure
KEM Konstruktion|Automation: Der Klimawandel oder die Verfügbarkeit von Rohstoffen erzeugen inzwischen ja einen gewissen Handlungsdruck. Welche Schritte können wir jetzt schon gehen, um zu nachhaltigeren Produkten und damit auch zu einer nachhaltigeren Produktion zu kommen?
Daria Wilke (GfSE): In einem ersten Schritt gilt es, das Systemdenken generell als Kompetenz in den Unternehmen aufzubauen – weg von dem Silodenken der einzelnen Fachabteilungen. Das lässt sich an dem folgenden Beispiel gut verdeutlichen: Setzt man sich „nur“ zum Ziel, einen Kühlschrank mit dem Energielabel A++ zu entwickeln, greift das zu kurz – nicht nur, weil sich die Label ändern können. Ziel muss vielmehr sein, die Wärmeabgabe des Kühlschranks generell mit in dem System zu berücksichtigen und zu optimieren. Dazu muss ich die Zusammenhänge verstehen und abbilden – was sich gut mit dem modellbasierten Ansatz des Model-Based Systems Engineering (MBSE) erreichen lässt. Mit einigen Unternehmen läuft diesbezüglich aktuell ein Forschungsprojekt am Fraunhofer IEM, in dem es darum geht, Nachhaltigkeitsaspekte über den MBSE-Ansatz in die Produktentwicklung zu integrieren.
Bild: GfSE
Koch: Die Produkte selbst werden dabei übrigens nicht mehr nur von dem Unternehmen begleitet, welches das Produkt entwickelt und vielleicht verkauft – sondern nun kommen auch andere Organisationen mit ins Spiel, die beispielsweise über Service oder Recycling nachdenken. Sie müssen beteiligt werden.
Die Frage im Sinne des Systems Engineering ist also, wie sich die unterschiedlichen Interessen all dieser Organisationen bereits frühzeitig in der Produktentwicklung berücksichtigen und zusammenbringen lassen. Anders formuliert: Es geht auch darum, nicht nur Ingenieure einzubinden, sondern alle, die im Laufe des Produktlebenszyklus mit dem Produkt zu tun haben werden.
KEM Konstruktion|Automation: Greift der Ansatz nicht zu weit – lässt sich das denn umsetzen?
Koch: Das wissen wir noch nicht – wir müssen noch lernen, wie wir diesen neuen Ansatz im Alltag umsetzen können. Genau das ist das Ziel des eben genannten Forschungsprojektes. Denn klar ist: Je mehr Menschen beteiligt werden, desto weniger können und dürfen wir das Systemverständnis eines Systems Engineers voraussetzen. Meine Beobachtung ist, dass das Denken in Systemen vielen Menschen eher schwer fällt. Umso wichtiger wird deshalb die kommunikative Aufgabe des Systems Engineers – er muss die Zusammenarbeit aller Beteiligten im Blick haben und fördern. In der Ausbildung sollten wir diesen Aspekt viel stärker vermitteln. Der Systems Engineer ist der Dirigent des Orchesters der Produktentwicklung! Er selbst macht keine „Musik“, bringt aber alle anderen mit ihren jeweiligen Kompetenzen dazu, ein „System“ zu entwickeln.
In diesem Zusammenhang wäre speziell im Deutschen auch der Begriff „Systemgestalter“ besser als „Systems Engineer“, da wir Engineer häufig mit Ingenieur gleichsetzen. Das würde verdeutlichen, dass der Entwurf eines Systems nicht nur Aufgabe der Ingenieursdisziplinen ist, sondern an der Gestaltung das ganze Unternehmen und darüber hinausgehend alle Organisationen beteiligt werden müssen, die im Laufe des Produktlebenszyklus mit dem Produkt zu tun haben werden – wenn unser Ziel ist, im Sinne der Kreislaufwirtschaft (Circular Economy) nachhaltig zu werden. Im Englischen wäre möglicherweise der bessere Begriff dann „Systems Designer“ – das ist im Amerikanischen oder Englischen aber möglicherweise missverständlich.
Zur Definition des Advanced Systems Engineering
KEM Konstruktion|Automation: Was steckt denn hinter dem Begriff „Advanced Systems Engineering“, den insbesondere ja auch das Fraunhofer IEM verwendet?
Bild: GfSE
Wilke: Hier geht es weniger um ein Advanced „Systems Engineering“ – mehr um ein „Advanced Systems“ Engineering. Im Vordergrund steht also nicht eine „neue“ Methodik, sondern der erweiterte Systemgedanke. Diese „Advanced Systems“ werden immer autonomer, interaktiver und sie sind dynamisch vernetzt. Die daraus resultierende Agilität, verbunden mit künstlicher Intelligenz (KI), beeinflusst die Produktentwicklung massiv – und all das gilt es im Systems Engineering zu berücksichtigen, um „Advanced Systems“ überhaupt entwickeln zu können. Oder um den vorhergehenden Punkt aufzugreifen: Es geht um das Gestalten von „Advanced Systems“.
Die Rolle der Künstlichen Intelligenz (KI)
KEM Konstruktion|Automation: Das ist in der Tat ein wichtiger Punkt, um den Begriff „Advanced Systems“ Engineering zu verstehen. Weil Sie gerade KI erwähnten, die die Produkte beeinflusst beziehungsweise auch komplexer macht – welche Rolle spielt KI denn bei der Unterstützung der Produktentwicklung? Kann sie hier helfen, die Komplexität in den Griff zu bekommen?
Wilke: KI besitzt ein enormes Potential, die Produktentwicklung zu unterstützen. Beim Fraunhofer IEM sind wir bereits dabei zu testen, welche Chancen und Möglichkeiten sich hier ergeben. Einem Kollegen ist es beispielsweise gelungen, binnen kürzester Zeit ein Auto zu entwickeln – von der Anforderungsliste bis hin zu einem ersten CAD-Modell; innerhalb einer Stunde! Solche Tools sind also durchaus in der Lage, die Produktentwicklung deutlich zu entlasten – und Zeit in diesem Prozess zu gewinnen, ist immer ein Vorteil.
KEM Konstruktion|Automation: Kann man sich denn auf die Ergebnisse verlassen – oder ist das eine typisch deutsche Frage, die zuerst die Bedenken in den Vordergrund stellt?
Koch: Das ist wohl eine typisch deutsche Frage, in der Tat. Mit Blick auf meine Tätigkeit bei einem Automobilzulieferer ist allerdings auch klar, dass am Ende ja ein Entwicklungsleiter das Ergebnis freigeben muss; er steht damit auch in der Verantwortung gegenüber dem Unternehmen und dem Gesetzgeber, dass alles ordnungsgemäß entwickelt wurde. Dabei spielt das Vertrauen gegenüber seinen Kollegen in der Entwicklung eine wichtige Rolle. Je mehr nun eine KI mit in diesen Prozess eingebunden wird, desto schwieriger wird es, diese Entscheidung zu treffen. Denn am Ende muss ein Mensch die Freigabe erteilen. Die Aufgabe für die Entwicklung der KI-Unterstützung ist also, die Zuverlässigkeit von KI-Systemen sicherzustellen.
Um aber auch einen positiven Aspekt aufzugreifen: Ich denke, wir haben heute eine große Chance, über KI-Ansätze mit der Masse an Daten zurecht zu kommen, die uns vorliegt. So können wir auch viel leichter erkennen, was sich gegebenenfalls wiederverwenden lässt.
V-Modell und agile Entwicklung
KEM Konstruktion|Automation: Wie gehen wir denn künftig methodisch an die Produktentwicklung heran. Auf der einen Seite steht ja die Zerlegung eines komplexen Systems in handhabbare Teilsysteme via V-Modell, auf der anderen Seite gibt es aus dem Softwarebereich kommend die agile Entwicklung mit kurzen Sprints. Wie passt das zusammen?
Koch: V-Modell und agile Entwicklung in dieser Weise gegeneinander zu stellen, halte ich für falsch. Das V-Modell beschreibt ursprünglich ja nur den Ablauf, die Aktivitätensequenz – beginnend mit den Anforderungen, ein Design zu entwickeln, zu implementieren und anschließend zu verifizieren und zu validieren. Ob diese Sequenz drei Jahre oder nur drei Wochen dauert, steht da nicht drin. Bei drei Wochen bewege ich mich aber in der Größenordnung der agilen Entwicklung – will heißen: Dann kann ich das V-Modell auch dabei nutzen.
Bild: VDI/VDE 2206:2021–11
Zumindest für die Automobilindustrie kann ich zudem sagen, dass wir inkrementell in dieser Weise entwickeln. Ist das eine V beendet, folgt das nächste. Im Ergebnis handelt es sich also um hintereinander geschaltete Sprints, innerhalb derer ich das V-Modell nutze. So interpretiert, ergibt sich kein Widerspruch zwischen V-Modell und Agilität. Gelegentlich gibt es allerdings auch die Interpretation, dass über mehrere Jahre hinweg das Produkt erst zerlegt und dann nach und nach wieder zusammengesetzt wird – mit der Realität in den Unternehmen hat das aber nichts zu tun.
IoT-Ansätze und steigende Komplexität
KEM Konstruktion|Automation: Zunehmend kann ich ja inzwischen über IoT-Ansätze auch Daten im Betrieb sammeln und nutzen – lässt sich die damit verbundene Komplexität auch mit den oben beschriebenen Methoden bewältigen?
Koch: An dieser Stelle kommen wir mehr oder weniger zu Problemen der Gesellschaft. Wir vernetzen unsere Komponenten, Baugruppen beziehungsweise Produkte immer mehr, alle kommunizieren miteinander und hängen damit auch voneinander ab. Die Komplexität in der Entwicklung wird auch dadurch gesteigert, dass wir IoT-Daten aus dem Betrieb wieder in die Entwicklung zurückspielen wollen, um sie in der nächsten Produktgeneration zu nutzen. Analog gilt das für die Handhabung des Produkts und darüber hinaus gedacht für das System, wie eingangs beschrieben.
Dabei besteht natürlich schon die Gefahr, dass Menschen diese Zusammenhänge nicht mehr verstehen, Angst bekommen und solche Systeme beziehungsweise Technik ablehnen. Die große Herausforderung wird sein, angesichts der weiter voranschreitenden Vernetzung die Menschen, die Gesellschaft mitzunehmen. Entstehende Ängste lassen sich aber wiederum bei der systemischen Betrachtungsweise mit einbeziehen. Deswegen ist eines meiner Anliegen, mit der GfSE den Kontakt zu Entscheidungsträgern in der Politik zu bekommen und die Frage zu diskutieren, wie komplexere Systeme auch in politischen Entscheidungen berücksichtigt werden können – mit dem Ziel, die Gesellschaft auch weiterhin zusammenzuhalten.
Der praktische Nutzen für KMU
KEM Konstruktion|Automation: Lassen Sie uns abschließend wieder etwas näher in die Produktentwicklung schauen – gibt es insbesondere KMUs, die schon heute eine Entwicklung wie oben beschrieben realisieren können?
Wilke: Die gibt es! Im Rahmen des Projekts SE4OWL von it’s OWL konnte das Fraunhofer IEM zusammen mit dem Sondermaschinenbauer Harting Applied Technologies zeigen, wie sich das in die Praxis umsetzen lässt. Die rund 50 Mitarbeiter definieren heute im Rahmen des zu entwickelnden Systems einzelne Handlungsfelder, die sie dann in einzelnen Sprints angehen. Damit konnten wir auch zeigen, wie sich Engineeringprozesse optimieren lassen, um technisch komplexe Systeme und digitale Services zu entwickeln.
Das Projekt SE4OWL macht Unternehmen fit für Systems Engineering
Übrigens: Kleine und mittlere Unternehmen können von dem erfolgreich abgeschlossenen Projekt und dem Einsatz des Systems Engineering profitieren: Wer selbst in die Umsetzung gehen möchte, kann auf unseren praktischen Online-Werkzeugkasten zurückgreifen, der unter der Adresse hier.pro/vAmD9 abrufbar ist.
Speziell mit dem Systems Engineering für die Entwicklung nachhaltiger Produkte beschäftigt sich auch die GfSE-Arbeitsgruppe „Sustainability enabled by Systems Engineering“ (SuSy).
Zur GfSE
Die Gesellschaft für Systems Engineering e.V. (GfSE) fördert als gemeinnützige Organisation Wissenschaft und Bildung im Bereich des Systems Engineering in Industrie, Forschung und Lehre. Sie wurde 1997 gegründet und ist assoziiert mit dem International Council on Systems Engineering (INCOSE). Als German Chapter vertritt die GfSE die INCOSE im deutschsprachigen Raum.
INCOSE konstituierte sich bereits 1990 als internationale, gemeinnützige Organisation. Sie ist heute die international maßgebende Körperschaft zur Definition, Verständnisbildung, Förderung und Anwendung des Systems Engineering. Die GfSE partizipiert an den Aktivitäten von INCOSE auf europäischer und internationaler Ebene und offeriert ein deutschsprachiges Dienstleistungsangebot zum Thema Systems Engineering.
