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Zunehmende Komplexität per Systems Engineering beherrschen

Produktentwicklung
Zunehmende Komplexität per Systems Engineering beherrschen

Systems Engineering (SE) ist ein erfolgversprechender Ansatz, die Komplexität moderner Produkte in den Griff zu bekommen. Gerade auch KMU können angesichts eines stetig steigenden Softwareanteils und der Einbindung von Serviceaspekten per IoT davon profitieren. Die Professoren Matthias Dorfner und Sebastian Schröter betonen aber auch die Bedeutung der Kommunikation unter allen Beteiligten, die ein Systems Engineer fördern könne. An der HAW Landshut fließen deshalb auch solche Aspekte in das Studium ein.

Interview: Michael Corban, Chefredakteur KEM Konstruktion

Inhaltsverzeichnis

1. Die Rolle der Software in der Produktentwicklung
2. Die Bedeutung von Methodik und Tools beim Systems Engineering
3. Praxisbeispiel Kaffeemaschine
4. Model-based Systems Engineering (MBSE)
5. Voraussetzungen für einen Systems Engineer
6. Mehrwert nach initialem Aufwand
7. Zu den Personen

KEM Konstruktion: Kann ein Mittelständler von Systems Engineering (SE) profitieren – oder ist das nur etwas für größere Unternehmen, insbesondere in der Luft- & Raumfahrt?

Prof. Dr. Matthias Dorfner: Ein Mittelständler kann profitieren – und sehr schön zeigt dies beispielhaft der Einsatz des Model-based Systems Engineering (MBSE) in einer Projektarbeit des MBSE Experience Labs hier an der HAW Landshut. Vier Masterstudenten haben darin die Vor- und Nachteile des modellbasierten Arbeitens bei einer Trade-Off-Analyse zur letzten Meile in der Logistik untersucht. Das Interessante mit Blick auf die Methodik ist: Beim MBSE müssen zwar erst sämtliche System-Bausteine modelliert werden – gerade in komplexen Projekten lassen sich anschließend Änderungen aber viel einfacher durchführen. Und der Einsatz dieses Ansatzes ist gar nicht so aufwändig, wie viele meinen – man kann klein anfangen ohne 20 Jahre lang Erfahrung mit MBSE haben zu müssen.

MBSE schlägt bei komplexen Trade-Off-Analysen MS Excel

Überträgt man das auf die Praxis in mittelständischen Unternehmen werden sicher viele bestätigen, dass gerade der Änderungsaufwand aufgrund zusätzlicher Anforderungen oder sich ändernder Randbedingungen einer der großen Zeitfresser ist. Mit anderen Worten: Warum nicht einen Versuch wagen?

KEM Konstruktion: Was steckt hinter dem MBSE Experience Lab?

Dorfner: Dahinter steht eine Gruppe von Industrieunternehmen, Beratungs- und Softwarehäusern sowie Hochschulen, die das modellbasierte Systems Engineering aktiv betreiben. Hintergrund ist, dass ganz generell die zunehmende Integrationsdichte in cyberphysikalischen Systemen und die Einbindung von vernetzten Services die Komplexität heutiger Produkte dramatisch steigern. MBSE liefert hier einen ganzheitlichen Ansatz, diese Komplexität in den Griff zu bekommen. Das MBSE Experience Lab hat sich daher zum Ziel gesetzt, den Umgang mit und die Verbreitung des MBSE zu fördern.

Damit unsere Studierenden die angesprochene Komplexität und die damit verbundenen Herausforderungen in der Praxis kennenlernen, habe ich kurz nach der Übernahme des Masterstudiengangs Systems Engineering an der HAW Landshut deswegen auch eine ‚Projektarbeit in der Praxis‘ ins Leben gerufen, die im zweiten Studiensemester über einen Zeitraum von etwa vier Monaten läuft und von der Auftragsklärung bis hin zur Abnahme der Ergebnisse reicht. Um geeignete Projekte zu finden, gehe ich gezielt auf Partner aus der Praxis zu. Das reicht von Herstellern oder Zulieferern im Automobilbereich bis hin zu Beratungsfirmen, die sich mit dem Systems Engineering beschäftigen. Gerne arbeite ich hier auch mit kleineren Unternehmen zusammen. Dieser Aufgabe widme ich mich übrigens inzwischen auch nicht mehr alleine, sondern seit Oktober 2021 zusammen mit meinem Kollegen Prof. Dr. Sebastian Schröter.

Die Rolle der Software in der Produktentwicklung

KEM Konstruktion: Dann an Sie, Prof. Schröter, gerne mit Blick auf Ihr Aufgabengebiet die Frage, welche Rolle speziell die Software künftig in Produkten und damit beim Systems Engineering spielen wird?

Prof. Dr. Sebastian Schröter: Die Themen System und Software werden sich in Zukunft sehr stark ergänzen müssen – wobei nicht die Frage ist, ob System oder Software hier sozusagen die Nase vorn haben. Vielmehr müssen beide parallel entwickelt werden und wirklich ineinander greifen. Das jetzt hier an der HAW Landshut umzusetzen, ist eine sehr spannende Aufgabe.

Wichtig ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass wir bislang bei Software eher immer IT-Systeme wie etwa Internetanwendungen vor Augen haben, die auf standardisierter Hardware laufen. Je eher aber Software Teil eines Produktes ist – und damit auf spezieller Hardware läuft – desto eher kommt es eben auf diese parallele Entwicklung von System und Software an.

Dorfner: Passend dazu möchte ich ergänzen, dass wir eine der wenigen Hochschulen sind, an denen der Studiengang Systems Engineering an einer Informatikfakultät aufgesetzt ist – schon seit über zehn Jahren. Das vom Kollegen Schröter angesprochene Zusammenwirken von System und Software stand damals zwar noch nicht im Vordergrund, erleichtert jetzt aber die Ausbildung der Studierenden. Schon heute lässt sich ja erkennen, dass sich der Anteil der Software-Codezeilen in Fahrzeugen in den letzten zehn Jahren mindestens verzehnfacht hat.

KEM Konstruktion: Wer baut denn künftig zum Beispiel Autos – die klassischen OEMs oder große IT-Konzerne wie Apple oder Google?

Schröter: Die Frage ist offen und die Beantwortung hängt davon ab, wie sich die Unternehmen weiterentwickeln. Nach wie vor verlangen gerade Autos aber noch sehr viel echte ‚Hardware‘ – hier liegt bis hin zur Fertigungstechnik das Kern-Know-how der Automobilhersteller. Das wird sicher eine ganze Zeit lang noch so bleiben – zumal dieses Kern-Know-how mit Software erstmal nichts zu tun hat.

Dorfner: Aber es verändert sich – etwa beim Thema Fahrverhalten. Das setzt natürlich ein funktionierendes Fahrwerk voraus, aber per Software lassen sich die Fahrwerkseigenschaften bereits signifikant beeinflussen beziehungsweise steuern.

Schröter: Die Optimierung genau dieser Fähigkeit – Funktionalitäten im Zusammenspiel von Mechanik, Hardware und Software auszuprägen – ist Systems Engineering. Aus meiner Sicht ist das ein wesentlicher Faktor, der darüber entscheidet, was die Antwort auf Ihre Frage sein wird.

„Systems Engineering eignet sich auch für KMU“

Die Bedeutung von Methodik und Tools beim Systems Engineering

KEM Konstruktion: Lassen Sie uns etwas prinzipieller auf das Systems Engineering generell eingehen. Gilt aus Ihrer Sicht auch die Devise, dass es dabei zunächst um die Methodik geht – und nachfolgend erst um entsprechende Tools?

Dorfner: Beim Systems Engineering geht es zunächst um ein systematisches Vorgehen, das heißt einen ganzheitlichen Ansatz mit Fokus auf der Konzeptionsphase unter Berücksichtigung des gesamten Systemlebenszyklus. Schaue ich mir das eingangs erwähnte Projekt zur Trade-Off-Analyse zur letzten Meile in der Logistik an, ging es dabei um den Vergleich verschiedener Lösungsalternativen für die letzte Meile in der Logistik. Die Studierenden mussten sich also zunächst genau überlegen, wie sie vorgehen. Heraus kam dann der Ansatz, diese Lösungsalternativen mittels Model-based Systems Engineering und Excel einander gegenüberzustellen. Gerade beim MBSE hingegen ist das verwendete Werkzeug beziehungsweise Tool neben der Sprache/Notation und der Entwicklungsmethode ein wesentlicher Stellhebel, da je nach Tool unterschiedliche Funktionalitäten angeboten und unterstützt werden. Die zu wählende Sprache, die Methode und das Tool sind somit immer als Dreiklang zu betrachten.

Schröter: Beim Aufsetzen eines neuen Projekts lohnt es sich definitiv, sich am Anfang Zeit für die Fragestellung zu nehmen – wieviel Systems Engineering wird benötigt? Dabei zu hinterfragen, welche Themen kritisch sind und wie komplex das Projekt ist, vermeidet proaktiv eine Reihe von Folgeproblemen. Dafür muss man nicht zwingend ein komplettes Systems-Engineering-Projekt aufbauen. Erkenne ich beispielsweise, dass mein System ein kritisches Sicherheitselement beinhaltet, ist ein möglicher Lösungsansatz, speziell dafür ein Systemmodell aufzubauen. Damit lassen sich dann die Sicherheitsanalysen viel einfacher durchführen und eine Lösung für dieses Element finden – proaktiv.

KEM Konstruktion: Als Maschinenbauer könnte ich also sagen, dass der wichtigste Schritt zu Beginn ist, die Erfahrung aus abgewickelten Projekten zu nutzen und im Team zunächst die relevanten Knackpunkte zu erkennen – bevor ich dann Teilprobleme gezielt per Systems Engineering adressiere?

Dorfner: Das setzt voraus, dass ein entsprechendes Projekt-Management – als Teildisziplin des Systems Engineering – existiert. Erst dann kann ich das in jeder Entwicklung steckende Risiko besser einschätzen und beherrschen. Genau an dieser Stelle macht sich ja die bereits angesprochene zunehmende Komplexität – hervorgerufen durch die zunehmende Integrationsdichte in cyberphysikalischen Systemen und die Einbindung von vernetzten Services – bemerkbar. Mit anderen Worten: Je komplexer und multidisziplinärer ein System schlussendlich ist beziehungsweise wird, desto mehr kann auch ein KMU vom Systems Engineering profitieren. Nur so lässt sich die steigende Zahl der erforderlichen Disziplinen zusammenführen. Übertragen auf den Maschinen- und Anlagenbau bedeutet das, sich zunächst zu überlegen, wo die Grenzen des zu betrachtenden Systems liegen und über welche Schnittstellen es kommuniziert. Darauf kann dann das methodische Vorgehen aufsetzen.

Praxisbeispiel Kaffeemaschine

Schröter: Systems Engineering hilft vor allem auch dabei, neue Themen mit zu beherrschen. Ein sehr schönes Beispiel dafür ist eine klassische Kaffeemaschine. Anforderungen bei der Entwicklung waren dabei zunächst die Robustheit über den Lebenszyklus hinweg und eine kostengünstige Herstellung. Das ließ sich aber nicht in einer Disziplin lösen, schließlich musste ja Wasser erhitzt und der Kaffee warm gehalten werden. Es mussten also mehrere Disziplinen wie die Elektrotechnik für die Auslegung der Heizelemente oder auch die Fluidtechnik zum Transport des Wassers in der Maschine zusammengeführt werden, um das gewünschte Systemverhalten zu erzeugen.

Am Beispiel der Kaffeemaschine klingt das trivial – die Physik mit Elektrotechnik und Fluidtechnik zu verbinden, ist ja überschaubar. So überschaubar, dass ein gewiefter Elektrotechniker auch die Fluidtechnik durchschauen konnte. Genau das aber ändert sich bei heutigen Produkten – zumal denen mit steigendem Softwareanteil. Damit wird es immer schwieriger, das Produkt zur Gänze zu durchblicken, so dass immer mehr Menschen mit ihrem ganz spezifischen Domänenwissen beteiligt sein müssen. In diesem Sinne hilft Systems Engineering, neue Themen zu bewältigen – und ist mehr und mehr eine Voraussetzung, um sehr komplexe Produkte wie etwa ein modernes Bearbeitungszentrum zu überblicken und damit zu beherrschen. Auch eine modernere ‚smarte‘ Kaffeemaschine beinhaltet heute ja eine Softwaresteuerung der einzelnen Subsysteme – was mehr Möglichkeiten eröffnet, die Komplexität aber eben erhöht hat.

Normen, Richtlinien und Begriffe des Systems Engineering

Model-based Systems Engineering (MBSE)

KEM Konstruktion: Ist das auch eine Erklärung dafür, dass speziell das modellbasierte oder Model-based Systems Engineering – kurz MBSE – so an Bedeutung gewinnt?

Dorfner: Exakt – mit dem MBSE entsteht eben dieses ‚Systemmodell‘, das die Verbindung der einzelnen Subsysteme und damit letztlich auch der beteiligten Disziplinen schafft. Einen ähnlichen Ansatz verfolgen Informatiker schon länger, für Maschinenbauer ist das aber zukünftig sicherlich auch ein Weg, innovative Projekte zum Erfolg zu bringen. Der modellbasierte Ansatz mit einem zentralen Systemmodell bietet zudem eine gute Möglichkeit, auch über Organisationsgrenzen hinweg als ‚Sprachmedium‘ zu dienen, um die Kommunikation zwischen allen Beteiligten zu erleichtern.

Voraussetzungen für einen Systems Engineer

KEM Konstruktion: Welche Voraussetzungen bringt denn ein guter Systems Engineer idealerweise mit?

Dorfner: Sicherlich ein ausgeprägtes Abstraktionsvermögen, welches das Denken in Systemen erleichtert. Wichtig ist auch die Bereitschaft, mit einer gewissen Unsicherheit umgehen zu können. Ich definiere zwar vorab Anforderungen, aber wie sich diese schlussendlich am besten umsetzen lassen, kann ich zu Beginn nur schwer abschätzen. Für viele unserer Studierenden ist das in der Tat eine Herausforderung.

Schröter: Hinzu kommt dann die Bereitschaft, für ein solchermaßen definiertes System auch die Verantwortung zu übernehmen. Dazu gehört natürlich auch einiges an Erfahrung – man muss sozusagen den Maschinenraum auch einmal gesehen haben und in die Tiefe der Technik eingestiegen sein; bis hin zur Beschäftigung mit den Themen Lebenszyklus und Kosten.

KEM Konstruktion: Wäre Systems Engineering damit nicht eher ein Thema für die Weiter- anstelle der Ausbildung?

Dorfner: Deswegen bieten wir berufsbegleitend auch die Weiterbildung im Studiengang ‚Systems und Project Management‘ an, der generell etwas managementlastiger angelegt ist und sich an diejenigen richtet, die ins technische Management kommen wollen. Lassen Sie mich hier aber gerne betonen, was das Ziel des Masterstudiengangs Systems Engineering ist. Es geht dabei ja nicht darum, dass die Studierenden direkt die Rolle eines Systems Engineers übernehmen können, sondern dass sie sich bereits mit den Denkweisen, den Prozessen und Methoden beschäftigt haben und Modellierungsansätze kennen. Entscheidend ist, dass neben dem Fokus auf eine Fachdisziplin auch der Blick auf das Gesamtsystem möglich ist – und die Studierenden letztlich im Team arbeiten und kommunizieren können. Wissenstransfer zu ermöglichen und dabei offen für verschiedene Lösungsansätze zu sein um ein globales Optimum zu erreichen, zeichnet einen Systems Engineer aus.

Schröter: Die Bedeutung des Themas Kommunikationsstärke kann ich nur unterstreichen. Wie viel Kommunikationsbedarf in komplexeren Projekten entsteht, wird viel zu häufig deutlich unterschätzt. Nur wenn ich weiß, was mein Gegenüber will, kommt man zu einer guten Lösung. Erschwerend kommt hinzu, dass Informatiker und Maschinenbauer eine ‚andere Sprache‘ sprechen. Diese Brücke zu schlagen, ist deswegen eine Kernaufgabe des Systems Engineers.

Mehrwert nach initialem Aufwand

KEM Konstruktion: Systems Engineering lässt sich also zusammenfassen als ‚Denke nach, bevor du handelst und kommuniziere mit allen Beteiligten‘?

Dorfner: Provokant formuliert aber richtig und zielführend, wenn ich ein Projekt zum Erfolg bringen will. Insbesondere dann, wenn ich den Spagat machen muss zwischen technischen und finanziellen Anforderungen, denn das Unternehmensziel ist letztlich, Gewinn zu erzielen. Kann ich dann – wie mit dem Systems Engineering – auf Methoden und Tools setzen, die zu einer deutlich besseren Qualität führen ohne vermeidbare, ständige Fehlerkorrekturen, erzeuge ich auch mittel- und langfristig einen Mehrwert trotz initial höherem Aufwand. Das erste Systems-Engineering-Projekt darf also durchaus etwas länger dauern – der Erfolg stellt sich meist erst über einen längeren Zeitraum hinweg ein.

Schröter: Ein entscheidender Aspekt, damit sich dieser Erfolg einstellt, liegt übrigens bei dem Thema Standardisierung und Schnittstellen. Gerade der Aufwand, den ich initial in die Standardisierung stecke, macht sich anschließend mehrfach bezahlt. Je höher die Standardisierung dabei aufgehängt ist, desto größer ist der sich ergebende Hebel.

Weitere Infos zum Studienangebot rund um das Systems Engineering an der HAW Landshut


Zu den Personen

Prof. Dr. Matthias Dorfner ist seit 2016 an der Hochschule Landshut für den Bereich Systems Engineering verantwortlich und leitet auch den an der Fakultät Informatik etablierten und von der Gesellschaft für Systems Engineering (GfSE) akkreditierten Masterstudiengang ‚Systems Engineering‘. Im berufsbegleitenden Studiengang ‚Systems and Project Management‘ lehrt er die Module Systems Management I und II unter Integration moderner Themen wie beispielsweise dem modellbasierten Systems Engineering (MBSE). Er studierte nach seiner Berufsausbildung zum Fachinformatiker Wirtschaftsinformatik an der Universität Regensburg, promovierte bei einem IT-Sicherheitsunternehmen und arbeitete unter anderem als Projektleiter bei der Regensburger Energie- und Wasserversorgung, bevor er ab 2013 als IT-Projektleiter und Enterprise Architekt (EAM) sowie Prozess- und Methodenentwickler bei der Audi AG tätig war. Sein Fokus liegt auf dem vernetzten und strategischen Denken, der Berücksichtigung von Lebenszyklen, der Entwicklung und Anwendung systematischer Vorgehensweisen sowie der interdisziplinären und internationalen Projektarbeit. Dies vermittelt er sowohl an Studierende in seiner Rolle als Gründerbotschafter als auch als eigener Unternehmer mit seiner Beratungsfirma SEMP Consulting GmbH.

Prof. Dr. Sebastian Schröter ist seit dem Wintersemester 2021/22 Professor für Systems und Software Engineering an der HAW Landshut. Er studierte theoretische Physik an der LMU München und promovierte zu Fragestellungen der Physik komplexer Systeme an der TU München. Als Coach, Berater, Trainer und Prozessarchitekt setzte er sich kontinuierlich mit der Anwendung von Systems und Software Engineering auseinander. Zeitgleich beschäftigte er sich aber auch intensiv mit technischen Details der Entwicklung, wie beispielsweise dem Bereich der physikalischen Bordnetzentwicklung, was ihn auch zu seinem ersten Lehrauftrag nach Landshut führte. Sein Netzwerk in der Automobilindustrie möchte Schröter auch dafür nutzen, Lösungen für aktuelle, kritische Fragestellungen zu adressieren. Dazu möchte er den Horizont der Studierenden so erweitern, dass sie neben den täglichen Herausforderungen auch einen Blick für eine ganzheitliche, zukunftsorientierte Lösung bekommen.


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