Systems Engineering ist Erfolgsfaktor für die Entwicklung der Produkte, Produktionssysteme und Dienstleistungen von morgen. Aber warum eigentlich? Was macht die Produktentwicklung so kompliziert und warum kann Systems Engineering mit Fug und Recht behaupten, Lösung für große Herausforderungen zu bieten? Wer diese Fragen beantworten will, fängt am besten nicht beim „wie“ an, also dem Engineering, sondern betrachtet zunächst das „was“, die Produkte, Produktionssysteme und Dienstleistungen von morgen.

Intelligente Technische Systeme: Der Stoff aus dem die Zukunft ist

„Von morgen“ ist eigentlich nur halb richtig. Schon heute ist klar: Die Digitalisierung verändert die Produkte und Dienstleistungen von Unternehmen radikal. Der erste Benz Patent-Motorwagen, der Ende des 19. Jahrhunderts Pferdekutsche und Eisenbahn Konkurrenz machte, entwickelte sich zügig von einem rein mechanischen zu einem mechatronischen System – und in rasantem Tempo weit darüber hinaus: Kluge Software ermöglicht heute die Vernetzung unserer Autos: Sie steuern autonom durch den Verkehr, kommunizieren mit uns über Sprachbefehl und bieten uns zusätzliche Dienste wie die Navigation. Das alles gelingt nur, weil sie vernetzt sind und mit anderen vernetzten Autos und Systemen ihr Know-How vereinen.

Was für ein Fortschritt: aus dem ersten Automobil, einem holprigen Verbrenner, ist ein Auto geworden, das wahlweise als fahrendes Kino, Büro oder Konferenzzimmer dient. Komplexe intelligente technische Systeme stellen aber ungemein hohe Herausforderungen an ihre Entwicklung.
Foto: Adobe Stock / Fraunhofer IEM

Denkt jemand bei Tesla oder Siri noch an morgen?

Schon heute ermöglichen uns Technologien der Digitalisierung die Entwicklung Intelligenter Technischer Systeme, die in der Lage sind, sich ihrer Umgebung und den Wünschen ihrer Anwender im Betrieb anzupassen. Sie stiften Nutzen im Haushalt, in der Produktion, im Handel, auf der Straße; sie sparen Ressourcen, sind intuitiv zu bedienen und verlässlich. Dabei verschmilzt die physikalische Welt, in der diese Systeme agieren, mit der virtuellen Welt (dem Cyber-Space), über die sie miteinander vernetzt sind und kommunizieren. Derartige Intelligente Technische Systeme werden daher auch als Cyber-Physical Systems bezeichnet, die mit Fähigkeiten wie Selbstdiagnose, Selbstoptimierung oder Selbstheilung die Grundlage für Schwarmintelligenz und die Verwirklichung der Vision Industrie 4.0 sind.

Der Wettbewerbsdruck für Unternehmen, die Chancen neuer Technologien für innovative Produkte, ergänzende Dienstleistungen und clevere neue Geschäftsmodelle zu erkennen und zu nutzen, ist also enorm hoch – heute schon. Ob Konzern oder Mittelstand – kaum ein Unternehmen wird es sich im globalen Wettbewerb künftig leisten können, nicht zumindest einen Teil seiner Marktleistung zu digitalisieren.

Die Entwicklungs-Lücke: Schnell erkannt – schnell gebannt?

Was für ein Fortschritt: aus dem ersten Automobil, einem holprigen Verbrenner, ist ein Auto geworden, das wahlweise als fahrendes Kino, Büro oder Konferenzzimmer dient und das – folgt man den Visionen der Autobauer – künftig gar verlängertes Wohnzimmer mit Chauffeur sein soll, und zwar emissionsfrei. Die digitalen Technologien, die Funktionen und Komfort ermöglichen, machen aus Intelligenten Technischen Systemen vor allem aber auch eins: Ungemein komplexe technische Systeme mit ungemein hohen Herausforderungen für ihre Entwickler*innen. Sie entstehen durch ein enges Zusammenwirken vieler Fachdisziplinen wie Elektronik, Informatik und Maschinenbau. Kein noch so gut ausgebildeter Ingenieur, keine noch so erfahrene Ingenieurin kann mehr für sich in Anspruch nehmen, ein derart komplexes technisches System allein zu entwickeln.

Die digitalen Technologien, die Funktionen und Komfort ermöglichen, machen aus Intelligenten Technischen Systemen vor allem aber auch eins: Ungemein komplexe technische Systeme mit ungemein hohen Herausforderungen für ihre Entwickler*innen.

Durch den Wandel vom Mechanik-zentrierten Maschinenbau zur Mechatronik zeigt sich eine Lücke: So werden die etablierten Entwicklungsmethoden der neuen Komplexität der Produkte, deren Entstehung sie unterstützen sollen, lange nicht mehr gerecht. Schon heute stoßen sie an ihre Grenzen. Die Lücke ist da, jetzt schon. Und was ist mit morgen? Im Angesicht der unaufhaltsam fortschreitenden Digitalisierung von Produkten und Dienstleistungen und dem Trend zu Intelligenten Technischen Systemen ist klar: Die Produktentstehung muss auf eine neue Basis gestellt werden.

Forderung nach einer neuen Schule des Engineerings

Die Produktentstehung beschreibt den gesamten Prozess von der Produkt- oder Geschäftsidee bis zum Serienanlauf. Die beteiligten Personen gehen ganzheitlich an die Realisierung des Systems und beschäftigen sich neben der Entwicklung des Systems auch mit strategischen Themen wie der Geschäftsmodellplanung oder dem Entwurf des zugehörigen Produktionssystems. Hinzu kommt, dass die Produktentstehung zunehmend global verteilt und in Kooperation mit zahlreichen Zulieferern und Wertschöpfungspartnern erfolgt, deren Beitrag klar spezifiziert und ins Gesamtsystem integriert werden muss. Wer also der Carl Benz des 21. Jahrhunderts werden möchte, sieht sich mit einer Reihe von Herausforderungen konfrontiert:

  • Interdisziplinarität gewährleisten

Da intelligente technische Systeme multidisziplinär sind, muss das auch für ihre Schöpfer gelten: Kommunikation und Kooperation über die Grenzen einzelner Fachdisziplinen sind das Gebot. Nur wenn es gelingt, ein einheitliches Systemverständnis über alle fachspezifischen Vorgehensweisen, Methoden und Denkmuster zu erlangen, wird das Entwicklungsprojekt zum Erfolg.

  • Schnittstellen beherrschen

Werden komplexe Systeme arbeitsteilig entwickelt, entstehen vielfältige Schnittstellen in Produkten und Produktentstehungsprozessen. Nur wer diese lückenlos im Blick behält, behält die Kontrolle über das Entwicklungsprojekt und integriert das System erfolgreich.

  • Steigende Anforderungskomplexität

Die Vielzahl an miteinander vernetzten Anforderungen machen ein lückenloses Anforderungsmanagement von der Aufnahme der Anforderungen bis hin zur Absicherung der Produkteigenschaften erforderlich.

  • Zunehmende Produktvarianz

Die Nachfrage nach individualisierten Produkten und der Bedarf an kundenindividueller Produktion (Mass Customization) steigt. Wer eine hohe Variantenvielfalt verspricht, muss diese auch erbringen können – durch entsprechende Organisation und Prozesse.

  • Kürzere Produktlebenszyklen

Ständige technologische Innovationen und ein globaler Wettbewerb drängen zu immer kürzeren Produktlebenszyklen. Das bedeutet: kürzere Entwicklungszeiten bei steigenden Anforderungen an das Produkt. Entwicklerinnen und Entwickler arbeiten also in einem ständigen Spannungsfeld zwischen Qualität, Kosten und Zeit, das sie nur durch eine systematischere und effizientere Vorgehensweise beherrschen können.

Unsere technischen Systeme (blau) werden immer intelligenter – und auch komplexer. Etablierte Entwicklungsmethoden (grün) werden dem nicht mehr gerecht. Systems Engineering füllt die Lücke.
Grafik: Fraunhofer IEM

Die Produkte und Dienstleistungen von morgen werden wir nicht mehr aus dem Blickwinkel einer einzelnen Fachdisziplin betrachten und auch nicht mit einer Fachmethodik allein entwickeln können. Die Komplexität unserer Produkte wird weiter steigen und mit ihr auch die Lücke zwischen dem Leistungsvermögen etablierter, primär fachdisziplinorientierter Entwicklungsmethodiken und dem Leistungsvermögen neuer Ansätze, die wir für die erfolgreiche Umsetzung Intelligenter Technischer Systeme künftig benötigen. Systems Engineering, dass das Gesamtsystem in den Mittelpunkt stellt und die eben beschriebenen Herausforderungen angeht, bietet sich da als willkommener Lückenfüller an.

Anforderungen Einführung Kollaboration Prozesse Systemmodell

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Autor*in des Beitrags: Kirsten Harting Fraunhofer IEM
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