Interdisziplinärer Ansatz zur erfolgreichen Umsetzung von Systemen

Method Park zu Nutzen und Definition des Systems Engineering

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Die Method Park Holding AG wirft in diesem Beitrag einen genauen Blick auf das Thema Systems Engineering. Worum geht es dabei eigentlich, ist es auch für kleine Projekte sinnvoll und was genau beschreibt der SIMILAR-Prozess?

Lars Jacobi, Software Engineer und Spezialist für Code-Qualität, Method Park Holding AG in Erlangen

Das Thema Systems Engineering gewinnt in Unternehmen weltweit immer mehr an Bedeutung. Das liegt vor allen Dingen daran, dass die Systeme der heutigen Zeit durch die an sie gestellten Anforderungen immer größer, immer komplexer und durch die Vernetzung immer einflussreicher werden. Das Scheitern vieler Systeme noch vor dem Erreichen ihrer Marktreife liegt genau in diesen Eigenschaften begründet: Mit steigender Komplexität steigt auch das Risiko der Produktverantwortlichen, den Überblick zu verlieren und irgendwo im Entwicklungsprozess stecken zu bleiben. Die Folge ist oft das Ende der Entwicklung aufgrund von Unwirtschaftlichkeit.

Systems Engineering in kleinen Projekten

Hat man sich nur oberflächlich mit dem Thema Systems Engineering befasst, könnte man meinen, dass diese Disziplin nur in besonders großen, besonders komplexen Systemen Sinn macht. Für kleinere Projekte ist der Overhead an Bürokratie einfach zu hoch und zu teuer. Es stimmt, dass die Disziplin des Systems Engineerings aus diesen Gründen einen eher negativen Ruf hat. Allerdings ist der Aufwand, der betrieben werden muss, um einen Nutzen aus den Resultaten des Systems Engineering zu ziehen, vergleichsweise gering. In manchen Bereichen ist der bürokratische Aufwand sogar dringend notwendig. Jedes Projekt, jedes Produkt und auch jedes System muss dokumentiert werden, um Erfolg, Wartbarkeit und damit langjährigen Mehrwert zu sichern.

Unabhängig von der Größe oder der Komplexität des Systems kommt Systems Engineering besonders dort zum Einsatz, wo Fehler teuer sind. Die Transparenz, die durch diese Disziplin geschaffen wird, sind für einige Aspekte des Projektmanagements, wie beispielsweise das Risikomanagement, unschätzbar wertvoll. Bei der Entwicklung von Systemen müssen zu Beginn Entscheidungen getroffen werden, für die nicht garantiert werden kann, dass sie immer noch gültig sind, wenn sich das System bereits in einem fortgeschrittenen Stadium der Entwicklung oder vielleicht sogar bereits auf dem Markt befindet. Aus diesem Grund ist es enorm wichtig, dass Systeminformationen, die während der Entwicklung entstehen, transparent festgehalten werden. Systems Engineering macht es oft erst möglich, die bereits angesprochenen Verhaltensmaßregeln einzuhalten.

Es spielt also keine Rolle, wie groß oder komplex ein System ist, um Systems Engineering bedeutsam oder gar notwendig zu machen. Viel wichtiger ist der Zweck des Systems, die Anforderungen an das System (Compliance) und die Risiken, die für alle Produktbeteiligten bis hin zum Kunden mit der Entwicklung eines Systems verbunden sind.

Der SIMILAR-Prozess

Wie in jeder Disziplin des Ingenieurwesens gibt es auch für das Systems Engineering verschiedene Beispielprozesse, die im Kern die gleichen sieben Aufgaben beinhalten:

  • State the problem
  • Investigate alternatives
  • Model the system
  • Integrate
  • Launch the system
  • Assess performance
  • Re-evaluate

Diese sieben Aufgaben werden häufig unter dem Akronym SIMILAR zusammengefasst und referenziert. (Quelle: International Council on Systems Engineering (INCOSE) – www.incose.org)

  • State the problem: An erster Stelle steht die Benennung des Problems, das die Entwicklung des Systems lösen soll. In enger Zusammenarbeit mit den verschiedenen Interessensgruppen (Stakeholdern) wird eine Beschreibung grundlegender Funktionen ausgearbeitet, zu denen das System fähig sein muss. Dabei geht es nicht darum, wie ein System etwas tut, sondern was ein System tun soll. Im Kern steht also eine Anforderungsanalyse, deren Ziel es ist, die Kundenanforderungen in funktionaler oder verhaltensbezogener Hinsicht zu verdeutlichen.
  • Investigate alternatives: Es ist unwahrscheinlich, dass es für ein Problem eine perfekte Lösung basierend auf den gängigen Leistungsmerkmalen Performance, Entwicklungszeit, Kosten und Risiko gibt. Vielmehr geht es in diesem Schritt darum, Alternativen zu finden und auszuwerten. Hier entsteht bereits der erste Mehrwert für das Risikomanagement. Darüber hinaus werden die erfassten Anforderungen geschärft, da man nun über die Art und Weise der Problemlösung herangeht. (Wie löst das System das definierte Problem?)
  • Model the system: Für die vielversprechendsten Alternativen werden Modelle erstellt, wobei das Modell der bevorzugten Alternative weiterentwickelt und stetig erweitert wird. Die eigentliche Modellierung eines Systems wird durch Werkzeuge wie SysML (Systems Modeling Language) und UML (Unified Modeling Language) vereinfacht und vereinheitlicht. In diesem Schritt wird allerdings nicht nur das System modelliert, sondern auch die Prozesse, die zur Entwicklung, Fertigstellung und Wartung des Systems nötig sind. Das ist wichtig, da durch die Modellierung der Prozesse Bottlenecks, duplizierte Arbeit und die Auswirkungen von Planungsänderungen oder anderer Verzögerungen in Subprojekten sichtbar gemacht werden.
  • Integrate: Der Kern dieser Aufgabe liegt in der eigentlichen Integrierung der Prozesse, der Teams, Subprojekte und deren Zusammenspiel. Integration bedeutet in diesem Kontext, alle Elemente des Systems zusammenzubringen, sodass es für einen Systemstart bereit ist und Resultate erzeugen beziehungsweise das zugrundeliegende Problem lösen kann. Das Resultat der Integration ist ein System, das durch effiziente Prozesse gebaut und genutzt wird.
  • Launch the system: In dieser Phase wird das System im Detail designt, indem man Resultate erzeugt. Hier geht es darum Feinheiten auszuarbeiten und zu adjustieren, die auffallen, wenn man das System testet. Subsysteme oder Teile des Systems werden gebaut und/oder integriert und auf verschiedenen Ebenen überprüft, was letzten Endes zu einem zertifizierten Produkt oder System führen soll. Parallel dazu werden die beteiligten Prozesse betrachtet und nach Bedarf erweitert oder angepasst.
  • Assess performance: Einer der spürbaren Mehrwerte von Systems Engineering sind Transparenz und Messbarkeit durch Kennzahlen und Metriken. Was man nicht messen kann, kann man nicht kontrollieren – und somit auch nicht verbessern. Die Assessmentphase dient der Evaluation des Systems basierend auf den generierten technischen Metriken und den genannten Leistungsmerkmalen. Die Leistungsmerkmale haben eher ein erzeugtes Produkt im Fokus, wohingegen technische Metriken genutzt werden, um den Entwicklungsprozess zu optimieren und Risiken abzumildern, die mit der Entwicklung eines Systems verbunden sind. Dabei muss es sich nicht unbedingt um technische Metriken handeln. Jeder Einflussfaktor kann eine Metrik sein, dazu gehören beispielsweise auch Kunden-Feedback und Fehlerberichte.
  • Re-evaluate: Die wohl wichtigste Aktivität in einem iterativen System oder Prozess ist die Neubewertung. Das Prinzip der Neubewertung als Basis zur Modifizierung eines Systems ist schon seit Jahren ein fundamentales Werkzeug im Ingenieurwesen. Auch in agilen Vorgehensmodellen wie Scrum oder agilen Praktiken wie Kanban ist dieses Prinzip fester Bestandteil. Hierbei wird das ganzheitliche System mit den dazugehörigen Prozessen betrachtet und durch Feedback-Schleifen re-evaluiert. Basierend auf den Resultaten der Neubewertung werden dann Modifizierungen vorgenommen. Wie jeder Schritt in diesem Prozess wird auch die Neubewertung durchgehend iterativ durchgeführt, um die Verbesserung des Systems zu gewährleisten.

Diese sieben Schritte bilden das Systems Engineering als die heute praktizierte Disziplin in großen und kleinen Systemprojekten ab. Als Prozess gebündelt dienen sie der Vermeidung vieler Fehler und Probleme, die in bisherigen Projekten gemacht und beobachtet worden sind.

Warum Systems Engineering?

Wie andere organisatorisch-strukturelle Konzepte birgt Systems Engineering den Nachteil, dass es viel Geld kostet und anfangs keinen spürbaren Mehrwert erzeugt. Daher ist es vorerst schwierig, die Wichtigkeit der Disziplin zu argumentieren. Fehlschläge wie das Beispiel der Europa-Raketen, das im nächsten Abschnitt näher betrachtet wird, verdeutlichen allerdings, dass das Vernachlässigen oder Weglassen von Systems Engineering schwere Folgen haben kann.

Doch welchen konkreten Mehrwert bringt Systems Engineering? So wie das mittlerweile verbreitete Entwicklungsframework Scrum, in einem aus Systemsicht kleinerem Umfang, durch Agilität schnell auf Veränderungen reagieren kann, befähigt uns Systems Engineering auf Systemebene dazu, zügig auf Veränderungen zu reagieren. Einer der großen Vorteile von Systems Engineering ist die Transparenz, die es für das Management und andere Stakeholder schafft, indem es präzise zeigt, welchen Einfluss Veränderungen auf das Gesamtsystem haben. Systems Engineering fördert also ein effektives Anforderungsmanagement. So werden die richtigen Produkte schneller auf den Markt gebracht. Darüber hinaus macht richtig angewandtes Systems Engineering Produktentwicklung planbar, so dass sie aus einer betriebswirtschaftlichen Sichtweise heraus besser zu steuern sind.

Komplexe Systeme sind seit Jahren an genormte Qualitätsstandards und Richtlinien gebunden. So wird sichergestellt, dass beispielsweise eine technische Komponente oder ein Geschäftsprozess bestimmten Sicherheits- und Qualitätsanforderungen genügen. In Fachkreisen spricht man hier von Compliance. Compliance beschreibt die Einhaltung von Verhaltensmaßregeln, gesetzlichen Vorgaben und Richtlinien einer IT-Branche. Wenn man beispielsweise systemweit funktionale Sicherheit gemäß IEC 61508 gewährleisten muss, kann dies eine Mammutaufgabe sein oder noch werden. Ganz oft macht Systems Engineering dieses Compliance erst möglich.

Auch in Sachen Qualität und Effizienz kann Systems Engineering einen spürbaren Mehrwert bringen. Ab einer bestimmten Größe oder Komplexität des Systems wird es zunehmen schwer, Qualität und Effizienz auf Systemebene zu messen. Die Disziplin des Systems Engineering kann hier als Schnittstelle oder Oberfläche (Fassade) zum System dienen, die es wesentlich einfacher macht, Metriken zu bündeln und somit Messbarkeit verschiedener Qualitätsmerkmale und Effizienz zu erreichen.

Rückblick – Wie alles begann

Systems Engineering findet seinen Ursprung in der Raumfahrt Ende der 50er-Jahre. Damals stand man vor der Aufgabe einen Weg zu finden, mit den damals verfügbaren Mitteln das All zu bereisen und zum ersten und bislang einzigen Mal in der Geschichte der Menschheit Astronauten auf den Mond zu bringen. Die NASA setzte intensiv System Engineering ein, um die einzelnen, mit dieser Herausforderung verbundenen Disziplinen wie Software, Sicherheitstechnik, Mechanik etc. aufeinander abzustimmen und einen ganzheitlichen Überblick über das Projekt zu behalten.

Die Fehlschläge der Europa-Raketen brachten das Systems Engineering letztendlich auch nach Europa. Es stellte sich heraus, dass neben gravierenden Mängeln im Management und der Qualitätssicherung die einzelnen Stufen der Rakete unabhängig und unkoordiniert voneinander entwickelt wurden. Das führte dazu, dass die Stufen nicht aufeinander abgestimmt waren, was maßgeblich zu den Fehlschlägen beitrug. Der große Erfolg der mithilfe von Systems Engineering entwickelten Ariane-Rakete hat letztendlich verdeutlicht, wie sehr dieses interdisziplinäre Ingenieurfachgebiet bei der Entwicklung komplexer Systeme ins Gewicht fällt.

Was ist Systems Engineering?

Um zu verstehen, womit sich die Disziplin des Systems Engineerings befasst, muss zuerst erläutert werden, was man in diesem Kontext unter einem System versteht. Laut allgemeinem Konsens des International Council on Systems Engineering (INCOSE) ist ein System ein Konstrukt oder eine Ansammlung verschiedener Elemente, die zusammen ein Resultat erzeugen, das sie alleinstehend nicht erzeugen können. Diese Elemente können aus Personen, Software, Hardware, Gebäude, Richtlinien und Dokumente bestehen, also alles, was man braucht, um Resultate auf Systemebene zu erzielen. Der Nutzen, den ein System als Ganzes über den Beitrag der einzelnen Elemente hinaus erzeugt, entsteht primär durch das Zusammenspiel der einzelnen Elemente untereinander. Hier kommt Systems Engineering zum Zug.

Im Ingenieurwesen finden sich immer wieder Disziplinen und Begriffe, deren Kernaufgabe oder Kernbedeutung kontextuell unterschiedlich interpretiert werden. So ist auch der Begriff des Systems Engineerings sehr breit auslegbar und nicht eindeutig akademisch zu definieren. Dennoch verwenden fast alle Definitionen das Adjektiv „interdisziplinär“. Der Kern des Systems Engineerings wird von genau solchen Überschneidungen abgesteckt.

Im Rahmen dieses Artikels knüpfen wir zum einheitlichen Verständnis an die offizielle Definition des International Council on Systems Engineering (INCOSE) an:

  • „Systems Engineering is an interdisciplinary approach and means to enable the realization of successful systems. It focuses on defining customer needs and required functionality early in the development cycle, documenting requirements, then proceeding with design synthesis and system validation while considering the complete problem.„
  • (Quelle: Definition of the International Council on Systems Engineering (INCOSE) – www.incose.org)

In dieser Definition wird Systems Engineering als ein disziplinübergreifender Ansatz beschrieben mit dem Ziel der erfolgreichen Umsetzung von Systemen unabhängig ihrer Komplexität. Die Disziplin des Systems Engineering befasst sich also mit den ganzheitlichen Problemen und Herausforderungen der Entwicklung des Systems. Das beinhaltet nicht nur die Betrachtung und Lösung von technischen Herausforderungen, sondern auch der betriebswirtschaftlichen Effizienz und Nutzen gemäß den Anforderungen des Kunden. Von der Anforderungsanalyse über die Planung bis hin zur Umsetzung, Integration und Test aggregiert und kontrolliert das Systems Engineering die am System beteiligten Elemente und Disziplinen und stellt mithilfe eines ganzheitlichen Überblicks die Einhaltung der Wirtschaftlichkeit und das Erfüllen der Kundenanforderung sicher.

Abgrenzung zum Projektmanagement

Nach der oben präsentierten Definition von Systems Engineering fällt es häufig schwer eine klare Grenze zwischen Systems Engineering als Ingenieurdisziplin und Projektmanagement zu ziehen. Zusammenfassend lässt sich aber sagen, dass Systems Engineering technisch und fachlich orientiert ist, wohingegen sich das Projektmanagement mit den organisatorischen Aspekten der Produktentwicklung befasst. Systems Engineering kümmert sich um fachliche Anforderungen, Schnittstellen zwischen einzelnen Elementen des Systems, Systemintegration und Qualitätsmanagement. Überschneidungen zum Projektmanagement finden sich höchstens in der Produktplanung, da sich Systems Engineering nicht mit Aspekten wie das Organisieren und Validieren von Lieferanten, Einkauf von Teilen oder anderer organisatorischer Aufgaben befasst.

Grundsätzlich lässt sich sagen, dass die Systeme der heutigen Zeit immer größer und komplexer werden. Nicht nur die nativ großen Systeme, wie beispielsweise in der Raumfahrt, sondern auch kleinere Systeme sind von diesem Wandel betroffen. Smart Home, vernetzte Uhren, Kaffeemaschinen, Kühlschränke und Zahnbürsten: Das Internet of Things (IoT) hat den Weg für die vierte Stufe unserer Wirtschaft, Industrie 4.0, geebnet. Jetzt gilt es, die damit verbundene Komplexität zu bändigen. Die Disziplin des Systems Engineerings bietet nicht nur das nötige Werkzeug, sondern verkörpert gleichzeitig die Strategie dazu. Wer ihre Wichtigkeit unterschätzt und diesen Wandel ignoriert, der läuft Gefahr den Anschluss zu verlieren. Im Kern bietet das Systems Engineering die Möglichkeit, einen Schritt zurück zu treten und sich das große Ganze anzuschauen, sich ein Bild zu machen und mit seinen Anforderungen abzugleichen, um entsprechende Schritte und Details auszuarbeiten, zu modifizieren oder vielleicht sogar zu vereinfachen. Aus diesem Grund wächst die Disziplin des Systems Engineerings zurecht zu einem wichtigen und festen Bestandteil des Entstehungsprozesses zukünftiger Systeme heran. ik

Mehr zum Thema Systems Engineering bei der Method Park Holding AG:

hier.pro/WmZXW

Kontakt:
Method Park Holding AG
Wetterkreuz 19a
91058 Erlangen
Telefon: +49 9131 97206-0
E-Mail: info@methodpark.de
www.methodpark.de


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