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Vernetzte Erzeugnisse erfordern angepasste Entwicklungs-Abläufe

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.

Auf Entwicklungsingenieuren lastet der Druck, sich schnell auf Veränderungen anzupassen. Bild: PTC

‚Besser, schneller, billiger‘

Die Software in den Erzeugnissen erfordert signifikante Veränderungen an Prozessen und Tools, die während des Produktlebenszyklus zum Einsatz kommen, einschließlich technischer Entwicklung, Fertigung und Service. Zudem setzt das Motto ‚besser, schneller, billiger‘ die Unternehmen unter Druck, ihre Methoden der Produktentstehung zu verbessern. Hinzu kommt die Belastung durch wachsende Haftungsvorschriften und Behördenauflagen. Sind nur beschränkte Möglichkeiten verfügbar, die damit zusammenhängenden Risiken zu kontrollieren, kann das katastrophale Folgen haben. Um das zu vermeiden, sollten sämtliche Geschäftsabläufe im Produktlebenszyklus überdacht werden. Eine Hilfe ist, dass Änderungen, die zur Bewältigung solcher Herausforderungen notwendig sind, nahezu identisch sind mit jenen, die für ‚bessere, schnellere und billigere‘ Produkte erforderlich sind. Allerdings müssen gemeinsame Änderungen mit größter Sorgfalt umgesetzt werden, um den doppelten Vorteil zu erzielen. Jüngste technologische Fortschritte in herstellungsrelevanten Bereichen wie Materialkunde und Nanotechnologie, Sensoren und Wireless-Technologie wirken sich tiefgreifend auf Unternehmen und Systemingenieure aus. Diese Fortschritte machen fundamentale Produktinnovationen in hohem Tempo möglich, und jeder einzelne Fortschritt kann die Anpassung der Praktiken, Methoden und Werkzeuge in allen Bereichen der Entwicklung fordern. Diese Änderungen können wieder Anpassungen in verwandten Disziplinen nach sich ziehen. Daher lastet enormer Druck auf Systemingenieuren, sich schnell und effektiv an technologische Veränderungen anzupassen.

Teams arbeiten voneinander isoliert

Die meisten Entwicklungsorganisationen arbeiten noch nach dem klassischen Modell, bei dem Teams nach verschiedenen Fachbereichen getrennt werden und vorwiegend in ihrem isolierten Tätigkeitssilo arbeiten. Systemingenieure übergeben Subsystem-, Komponenten- und Schnittstellenspezifikationen einfach ‚über den Zaun‘ an Maschinenbau-, Elektronik- und Softwareteams. Diese Teams arbeiten dann oft getrennt voneinander an den jeweiligen Entwürfen und Codezeilen. Die Integration und Prüfung auf Systemebene erfolgen erst spät im Entwicklungszyklus. Treten Probleme auf, können teure Nacharbeit in einer späten Entwicklungsphase sowie zeitaufwendige Prüf- und Korrekturzyklen anfallen. Das klassische Prinzip ‚teilen und herrschen‘ ist diesen Herausforderungen, die sich ja gerade dadurch auszeichnen, dass sie ganzheitlicher Natur sind, meist nicht gewachsen. Klassische Wasserfallmodelle des Systems Engineering stoßen oft an Grenzen, wenn es darum geht, Risiken früh zu erkennen. Die Folgen reichen bis zu Kostenüberschreitungen und verzögerten Markteinführungen. Hilfe bei der Bewältigung dieser Herausforderung versprechen interdsziplinäre, iterative Systems Engineering-Ansätze für die Produktkonstruktion. Zu den Zielen dabei zählt, Informationslücken bereits in den ersten Schritten im Lebenszyklus nach und nach schließen. Eine Einteilung von Entwicklungsteams nach Fachbereich ergibt vor diesem Hintergrund keinen Sinn, stattdessen sollten Unternehmen kleine, interdisziplinäre Teams aufbauen, in denen alle wichtigen Disziplinen vertreten sind. Diese bereichsübergreifende Zusammenarbeit lässt sich mit schlanken, iterativen Prozessen und Collaboration-Technologien unterstützen. Hier kommt es auch darauf an, zentrale Prozesse wie Konfigurationsmanagement und Änderungs- oder Fehlermanagement zu integrieren und sowohl Hardware als auch Software in die Entwicklung einzubeziehen.



Autor Derek Piette, Director Systems Engineering bei PTC.

Ganzheitlicher Ansatz ist gefragt

Die Komplexität intelligenter Produkte verlangt geradezu nach einem ganzheitlichen Ansatz für das Product Lifecycle Management, beginnend bei der Aufnahme der Anforderungen an das neue Produkt bis hin zur Außerbetriebnahme. Darüber hinaus bedeutet der Paradigmenwechsel vom Produkt als der primären Einkommensquelle hin zu ‚Servitization‘, dass Systemingenieure sich nicht nur verstärkt auf den Serviceabschnitt des Produktlebenszyklus konzentrieren, sondern den Lebenszyklus insgesamt neu betrachten müssen. Der Prozess der Anforderungsvalidierung sollte geändert werden, denn die Systemanforderungen müssen viel früher und sorgfältiger im Produktentwicklungszyklus validiert werden. Dazu sollte eine Vielzahl von Methoden und Tools miteinander kombiniert werden. Insbesondere müssen Modellierung und Simulation eine neue Rolle beim Systems Engineering übernehmen. Die komplexe Natur intelligenter Produkte und Systeme bewirkt einen Trend zur Verwendung von Modellen. Das sogenannte ‚Model-based Systems Engineering‘ (MBSE) bildet in Verbindung mit Systemsimulationssprachen eine integrale Möglichkeit, alle Aspekte von Systemanforderungen und -architektur in einem einzigen Modell zu validieren.

Dieser Übergang könnte das gesamte Systems Engineering transformieren. Systemingenieure könnten bald in der Lage sein, Anforderungsmodelle nahtlos und automatisch in Systemarchitekturmodelle und diese wiederum in High Level-Hardware- und -Softwareentwurfsmodelle umzuwandeln. Systemmodelle dürften zunehmend dazu eingesetzt werden, Verhaltens-, algorithmische und parametrische Simulationen durchzuführen. Sie ermöglichen eine schnellere Validierung von Produktanforderungen, Systemkonzept und Systemanforderungen mit weniger Missverständnissen. Allerdings müssen sie während des gesamten Lebenszyklus überwacht werden. Änderungs- und Konfigurationsmanagement, Verfolgbarkeit und systematische Wiederverwendung sind Konzepte aus dem Lebenszyklusmanagement, die konsequent auf Modelle angewendet werden sollten. Systems Engineering und Softwareentwicklung haben viele Ähnlichkeiten. Diese Nähe zwischen Systems Engineering und Softwareentwicklung beruht auf der Tatsache, dass Software in nahezu jeder Facette wie ein System behandelt werden kann: Architektur, Entwurf, Modellierung, Simulation, Entwicklung, Tests et cetera. Daher nimmt mit der steigenden Bedeutung von Software in Produkten die hohe Korrelation zwischen Systems Engineering- und Softwareentwicklungsmethoden zu und bewirkt, dass System- und Softwareentwickler ihre Methoden und Tools austauschen und anpassen.