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Produkte in hochkomplexen Systemen

Vernetzte Erzeugnisse erfordern angepasste Entwicklungs-Abläufe

Intelligente Produkte haben in den letzten Jahren die Gesellschaft verändert. Sie retten Leben, ermöglichen globale Echtzeit-Kommunikation und uneingeschränkten Informationszugriff. Viele dieser Produkte sind in komplexen Systemen miteinander vernetzt und beherbergen einen großen Softwareanteil. Das Systems Engineering muss an die beachtlichen Herausforderungen dieser komplexen Zusammenhänge angepasst werden und die Hürden, die eine erfolgreiche Umsetzung verhindern, überwinden.

Oft arbeiten die Entwicklungsteams noch isoliert voneinander, nach Fachbereichen getrennt. Weil Integration und Prüfung auf Systemebene erst spät im Produktentwicklungszyklus erfolgen, kann teure Nacharbeit anfallen. Bild: PTC

Intelligente Produkte haben Funktionen, die früher undenkbar erschienen. Sie sind miteinander vernetzt und an unterstützende Ökosysteme angebunden, die per Fernzugriff Defekte reparieren, neue Leistungsmerkmale auf das Produkt bringen, Sensordaten auswerten, die Produktkonfiguration ändern, automatische Wartungsarbeiten planen oder vielfältige Informationen an die Benutzer übertragen. Das Systemdenken für Produkte und Dienstleistungen begann dabei schon vor Jahren an Einfluss zu gewinnen, beispielsweise mit globalem Telefonnetz und Mobiltelefonen. Mittlerweile lässt sich das mobile Endgerät sogar lediglich als Plattform für die Bereitstellung von Angeboten in Form von Anwendungen, Services und Informationen betrachten. Solche Produkte können aufgewertet werden, ohne die Kosten proportional zu erhöhen. Pro verkaufter Einheit winken so höhere Gewinne.

Neue Erträge mit Serviceangeboten

Neue Erträge durch Serviceangebote, die auf dem Kernprodukt aufbauen, können erschlossen werden. Dieses serviceorientierte Produktmodell wird auch ‚Servitization‘ genannt. Die sogenannte gewollte Produktalterung ist damit hinfällig, da das Erzeugnis nun nur noch als Plattform für höherwertige Services dient. Stattdessen werden Produkte in Zukunft wohl so entwickelt, dass sie im Laufe der Zeit weiterentwickelt werden können. Unternehmen können durch diesen Wandel vor einer paradoxen Situation stehen: Solche Fähigkeiten verkomplizieren alle Facetten des Produktlebenszyklus. Seit Beginn der ersten industriellen Revolution hat die Produktion einen Wandel von Mechanik über Elektromechanik zu Mechatronik und jetzt softwareintensiver Konstruktion durchlaufen. Diese Übergänge haben vielerorts schnelle Innovationen ermöglicht und zugleich Kosten gesenkt, Qualität verbessert, die Einhaltung von Normen und Vorschriften erleichtert und die Markteinführung beschleunigt.

Zugleich erhöhte sich damit allerdings die Komplexität der Produkte teils drastisch, was dem Erreichen solcher Ziele im Wege steht. Komplexe Produkte erfordern vor der Konstruktion eine sorgfältige Analyse der Bedürfnisse, Risiken und Anforderungen. Sie erfordern ferner komplexere Entwürfe, Fertigungs- und Supportprozesse während der gesamten Lebensdauer. All das führt zu höheren Kosten, niedrigerer Qualität, geringerer Compliance und längeren Entwicklungszyklen. Der Wandel von mechatronischen zu softwareintensiven Produktentwürfen bedeutet auch, dass die scheinbar unbedeutende Änderung einer Codezeile zu unvorhergesehenem Verhalten in einem anderen Teil des Programms führen kann. Und schließlich entsteht durch den Übergang von eigenständigen Produkten zu intelligenten Produkten, die Teil eines Systems von Systemen sind, eine weitere Art der Komplexität. Hersteller stehen vor neuen Herausforderungen, die teils beträchtliche Änderungen bei Produktentwicklungs-, Fertigungs- und Serviceprozessen erfordern. Intelligente Produkte stellen nicht nur Konstrukteure und Ingenieure vor Herausforderungen, sondern auch den Produktentwicklungsprozess selbst. Je komplexer das Erzeugnis, umso teurer ist es, die entsprechenden Spezifikationen auszuarbeiten, es zu entwerfen und zu bauen.

Kosten können sprunghaft steigen

Mit steigender Anzahl an Ausstattungsmerkmalen, Codezeilen und elektronischen Komponenten nimmt die Komplexität in der Regel exponentiell zu. Der zusätzliche Aufwand kann durch Kostenanstieg und verlängerte Entwicklungszeit äußerst nachteilig sein. Auch Kosten für Produkthaftung und die Einhaltung von Normen und Vorschriften steigen sprunghaft an. Schwierig ist es auch, dafür zu sorgen, dass das Produkt stets in jedem Einsatzbereich wie vorgesehen funktioniert. Im Dschungel der Haftungsvorschriften und Behördenauflagen gehen Unternehmen ein Risiko ein, wenn es zu einem Produktausfall kommt. Das zwingt sie, einen Mehraufwand für Identifizierung, Beherrschung und Minderung von Risiken zu betreiben und in Qualitätssicherungs-, Verifizierungs- und Prüfprozesse zu investieren.

Ideen scheitern an Bedenken

Gute Ideen für neue Produkte und Verbesserungen scheitern oft an Bedenken bezüglich Kosten, Zeitplanung und Risiken. Außerdem fehlt es Ingenieuren oft an Zeit und Energie für die Arbeit an Innovationen. Deshalb legen sie vielleicht so manche gute Idee einfach zu den Akten, bevor sie geprüft wurden. Wenn komplexe Erzeugnisse Teil von größeren Systemen miteinander vernetzter Produkten werden, weist die Komplexität neue Merkmale auf. Systems Engineering entstand ursprünglich, um die Komplexität monolithischer Systeme in den Griff zu bekommen. Da ein System von Systemen tendenziell neue Verhaltensweisen zeigt, müssen die Systems Engineering-Praktiken entsprechend angepasst und erweitert werden. Eine weitere wichtige Herausforderung, die einen Wandel im System Engineering bewirkt, ist die Zunahme von Software in Produkten. Produkte mit großem Softwareanteil bieten mehr Möglichkeiten. Aber Software ist auf andere Art komplex als Hardware, denn sie ist kein physisches Objekt. Sie ist schwieriger zu verstehen, insbesondere die Wechselwirkungen, die einzelne Codezeilen aufeinander haben. Deshalb ist der Aufwand für Softwareentwicklung schwieriger zu planen, zu schätzen und zu messen. Die durch Software verursachten Risiken sind zudem schwieriger zu identifizieren, Fehler schwieriger zu finden, weshalb die Qualitätssicherung insgesamt anspruchsvoller ist. Softwareänderungen sind weiterhin schwieriger zu planen, zu schätzen und zu messen und finden meist viel häufiger statt als Hardwareänderungen. Dadurch ist es mit konventionellen Änderungsmanagementprozessen und -Tools entsprechend aufwendig, sie zu beherrschen.

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