mini|Mosaik und Übersicht zu Systems Engineering (SE)-Methoden für verschiedene Technologien, Anwendungen oder Produkte. Der Begriff bezeichnet ein ingenieurwissenschaftliches Fachgebiet sowie einen interdisziplinären Ansatz, um technische Systeme zu entwickeln, zu beschreiben oder modellieren, zu simulieren, zu verifizieren und zu testen. SE ist eng mit dem Model-Based Systems Engineering (MBSE) verbunden.
Systems Engineering dient der Definition, dem Aufbau oder der Struktur, der Nachvollziehbarkeit, der Abbildung der Funktionen und vieles mehr von komplexen Systemen oder Produkten. Es findet Anwendung bei Echtzeitsystemen, bei Systemen von Systemen (SoS) sowie bei sicherheitsbezogenen Systemen. SE kann dabei Systeme für Anwendungen an Land, in der Luft, im Wasser und Weltraum nachbilden.
Systems Engineering basiert auf der Annahme, dass ein System mehr ist als die Summe seiner Subsysteme (bzw. Teile) und versucht daher, die Gesamtzusammenhänge und Wirkketten zu betrachten. Es bietet ein organisiertes und formelles Vorgehen, um die Herausforderungen und Probleme von Systemen systematischer zu bewältigen. Im umgekehrten Fall, d. h. ohne SE-Ansatz, besteht nach der Entwicklung und Herstellung eines Geräts, Bauteils, einer Maschine oder einer Anlage zwar die Möglichkeit, die einzelnen Elemente zu verstehen. Die Möglichkeit, die Interaktion dieser Elemente zu analysieren, ist jedoch stark reduziert. In diesem Zusammenhang wird auch vom sogenannten „emergenten Verhalten“ des Systems gesprochen. Dabei ist Emergenz das Phänomen, dass aus einfachen Interaktionen innerhalb eines Systems komplexes Verhalten entsteht.
Systems Engineering kommt meist in technischen Branchen zum Einsatz, beispielsweise in der Automobil-, Bahn-, Elektro-/Halbleiter-, Luft- & Raumfahrt, Prozess- oder Rüstungsindustrie (vgl. auch Wehrtechnik). Weitere, synonyme Bezeichnungen sind das , das und auch .
Methodik Systems Engineering (SE) ist eine digitale Entwicklungsmethodik, die dazu dient, ein System zu entwickeln. „Digital“ bedeutet in diesem Fall, dass spezielle SE-Software zum Design von SE genutzt wird. Dabei ist SE generell ein Mittel zum Zweck, kein Selbstzweck. Bei diesem Design kann es sich um ein Gesamtsystem oder um Teilsysteme handeln. SE wird beispielsweise für ein neues Produkt, einen neuen Service oder eine bestehende Applikation angewendet. Dies kann im Rahmen eines Auftrags durch einen Auftraggeber (auch Kunde) oder bei allen anderen Entwicklungstätigkeiten, -projekten oder -programmen erfolgen. Die Systeme oder Produkte können kleine Geräte (z. B. Smartphones) oder auch große Geräte (z. B. Raumsonden) sein.
In vielen Fällen spielen dabei das Anforderungsmanagement (vgl. auch Lasten- und Pflichtenheft) und weitere Fachgebiete eine begleitende Rolle. Bei den zu entwickelnden Systemen konzentriert sich das SE auf einen hierarchischen bzw. integrierten Aufbau über mehrere Ebenen. Die folgende Liste beginnt beim Produkt und arbeitet sich linear zu den kleinsten („atomaren“) Einheiten vor. Dies ist vergleichbar mit dem Vorgehen nach oder innerhalb des V-Modells: Eine systematische und nachvollziehbare Analyse der Aufgabenstellung Es wird versucht, die Funktionalitäten und Nichtfunktionalitäten des Systems abzuleiten Es wird eine logische Systemarchitektur aufgebaut Das Gesamtsystem wird in Sub- bzw. Teilsysteme oder Komponenten oder Module zerlegt Diese Subsysteme sind z. B. die Hardware (einschließlich Mechanik) bestehend aus Elektronik/Elektrik (E/E) und Software Die Einzelteile oder Komponenten werden spezifiziert, implementiert und untereinander verbunden Die Einzelteile mit der physischen Systemarchitektur verbunden Es werden Einzelteile oder das Gesamtsystem hinsichtlich der Modellierung untersucht und gegebenenfalls simuliert Es wird eine Verifizierung durch Tests und falls möglich Validierung der Komponenten und Einzelebenen angestrebt Die gesamte Struktur wird kontrolliert (vgl. auch Versionskontrolle) und dokumentiert Die Berücksichtigung anderer, angrenzender Fachdisziplinen (siehe unten)
Bei den o. g. Schritten, Aktivitäten und Ebenen soll stets der Produktlebenszyklus berücksichtigt werden, wobei der Fokus auf dem „Lebenszyklus des Systems“ liegt. Wie angedeutet arbeitet das SE über mehrere Ebenen, die sich nach der Komplexität des Systems und den Anforderungen des Auftraggebers richten. SE versucht, die verschiedenen Teilgebiete (Maschinenbau, Software, Elektrik und Elektronik (E/E)) und Fähigkeiten in einen einheitlichen und strukturierten Prozess zu integrieren. Der das SE begleitende Entwicklungsprozess wird von der Konzeption über die Produktion oder Fertigung bis hin zum Betrieb und in manchen Fällen bis zum Abbau beziehungsweise zur Wiederverwertung angewandt. Zudem werden für jeden Prozessschritt eigene Methoden verwendet, die systematisch angewendet werden sollen.
Im erweiterten Sinne berücksichtigt SE neben technischen auch wirtschaftliche, rechtliche oder soziale Aspekte, sofern diese mittels der SE-Methodik erfasst und abgebildet werden können. Für einige Fragen bieten sich jedoch spezielle Methoden und Werkzeuge an, beispielsweise eine Business Process Modeling Language (BPML). Letztere ist zwar kein Teil des SE, eine Organisation oder ein Unternehmen kann jedoch auch als „System“ betrachtet werden. Im besten Fall kann SE die Grenzen oder andere Merkmale des Systems aufzeigen, die dann mit dem Prozessmanagement, dem Risikomanagement (vgl. auch Risikobewertung), dem Kostenmanagement, dem Produktionsprozess usw. in Wechselwirkung treten können.
Organisation und Stellenbeschreibung Systems Engineering (SE) ist in der Regel Teil einer Organisation oder Division. Es kann in einer Matrixorganisation angewendet werden. Die Tätigkeit als SE wird teilweise auch von Ingenieuren oder Experten in angrenzenden Gebieten ausgeübt. Die entsprechende Rolle wird in der Regel als Systemingenieur bezeichnet. Der Systemingenieur arbeitet meist mit Softwareentwicklern, Hardwareentwicklern, Qualitätsingenieuren usw. zusammen.
Der sogenannte Systemintegrator übernimmt dabei eine spezielle Aufgabe bei der Integration des Systems. Der Systemarchitekt ist dabei für das Gesamtsystem zuständig. Der Systemtester übernimmt dabei eine Aufgabe des Systemtests. Ist Software beteiligt, wird diese von einem sogenannten Softwareintegrator erstellt.
Wird SE auf ein Projekt bzw. Produkt angewendet, so obliegt die Verwaltung des Projekts jedoch dem Projektmanager und die Verwaltung von Programmen dem Programmmanager. Es kann einen Projektleiter für das SE-Projekt geben, der sich um die Eigenheiten des SE-Projekts kümmert. Bei komplexen Systemen und Entwicklungsprojekten sollte ein SE-Team aus mehreren Systemingenieuren und o. g. Rollen gebildet werden. Da das Fachgebiet SE umfangreich ist und viel Erfahrung bedarf, sind Fachleute im Bereich SE auch als Berater (vgl. Dienstleistung und Entwicklungsdienstleister) tätig.
Aktivitäten, Aufgaben und Methoden Zu den Methoden und Aufgaben des Systems Engineering (SE) können gezählt werden:
Definition und Planung der SE-Aufgaben Fortschrittsbewertung und Berichterstattung an Stakeholder SE-nahe Anforderungsanalyse, -definition sowie Spezifikation Design und Entwicklung des Systems oder der Subsysteme Systemdesignoptimierung (Modellbildung, Simulation und Bewertung) Systemdokumentation (Funktionsbeschreibungen, Zeichnungen und Handbücher) Systemintegration (Schnittstellen), um eine perfekte Einbindung in das nächstgrößere System zu gewährleisten; Systemverifikation und eingeschränkt auch -validierung, um sicherzustellen, dass die Anforderungen erfüllt wurden; Nachhaltige Entwicklung, falls an das System diese Anforderung gestellt wird SE hat weiterhin die Schnittstellen zu den folgenden Fachdisziplinen zu berücksichtigen: Konfigurationsmanagement, Produktentwicklung, Qualitätsmanagement bzw. Qualitätssicherung, Releasemanagement, Risikomanagement, Variantenmanagement u. v. m. Je nach Komplexität und Projektphase des zu entwickelnden Systems unterscheiden sich die Aufgabenschwerpunkte und Inhalte.
Normen und Standards Es gibt eine Vielzahl von SE-Normen. Zu den bekannten zählen (jeweils in der aktuellen Fassung):
ISO/IEC/IEEE 24748 – Systems and software engineering — Life cycle management ISO/IEC 15288 – Systems and Software Engineering. ISO/IEC/IEEE 42010 – Software, systems and enterprise — Architecture description
Ursprüngliche Teilgebiete Zu den ursprünglichen Fakultäten des Systems Engineering zählen:
Systemtheorie Modellierung (und Simulation) Lineare und nichtlineare Systeme Optimierungstheorie Kontrolltheorie Spieltheorie Informations-, Schätzungs- und Entscheidungstheorie, sowie die Zuverlässigkeittheorie
Geschichte Der erste bedeutende Einsatz des „Systems Engineering“ (SE) fand 1940 in den Bell Telephone Laboratories bei der Entwicklung der Telefonie statt. Die verschiedenen Teile des Telekommunikationssystems mussten interagieren, was nur durch ein umfangreiches Systemverständnis und genaue Spezifikation der Anforderungen möglich wurde. In den 1950er Jahren entwickelte der US-amerikanische Informatiker Jay W. Forresters die „System Dynamics“ Methoden zur Untersuchung von Systemen.
Die neue Disziplin wurde nach dem Zweiten Weltkrieg in der US-amerikanischen Raumfahrt u. a. beim Apollo-Programm (1960–1970er Jahre) und bei der Entwicklung des Space Shuttle weiter erprobt und eingesetzt. Dabei wurden der Ansatz und die Methode des SE durch die NASA weiterentwickelt, welche heute noch das NASA Systems Engineering Handbook kostenfrei zur Verfügung stellt, siehe die Literaturangaben.
SE wurde in der europäischen Raumfahrt (vgl. European Space Agency (ESA)) nach den Fehlschlägen um die Europa-Raketen verstärkt eingesetzt. Zu den Fehlschlägen kam es, da die verschiedenen Raketenstufen ohne gemeinsame Koordination (viz. ohne Systems Engineering) entwickelt wurden und diese somit nicht aufeinander abgestimmt waren. Daher wurde beschlossen, bei der Entwicklung der Ariane-Rakete die Nutzung des SE zu intensivieren, was schließlich mit zu dem großen Erfolg der Rakete beitrug. Seitdem ist es in der Raumfahrt Standard, Systemingenieure einzusetzen.
Des Weiteren ist SE eine der begleitenden Methodiken bei der Entwicklung sicherheitsrelevanter Systeme, z. B. für Schienenfahrzeuge, Flugzeuge und Fahrzeuge. Es findet auch bei großen Infrastrukturprojekten wie der Endlagerung radioaktiver Abfälle Anwendung. Auch die betriebs- wie volkswirtschaftliche Relevanz für die Kreislaufwirtschaft zur Bewältigung der hohen Komplexität von Produktentwicklung, Liefer- und Recyclingketten wird vermehrt diskutiert.
Hintergrund Spätestens seit Beginn des Informationszeitalters und der digitalen Revolution – also der Verfügbarkeit von Elektronik und spezieller Mikroelektronik (Rechnertechnik, Speichertechnik, Mikrocontroller, Sensortechnik u. v. m.) – werden Neuentwicklungen technischer Produkte immer anspruchsvoller. Genauer gesagt ist es nicht mehr möglich, die Systeme klassisch zu konstruieren (vgl. auch Konstruktion). Diese klassische Herangehensweise ist heute das Systems Engineering (SE).
Gleichzeitig steigt die Anzahl der Anforderungen – beispielsweise technische, kundenbezogene, umweltrechtliche und sicherheitsrelevante – sodass Systeme in einer Umgebung von Tausenden Anforderungen entstehen. SE ist eine moderne Methodik, um diese Komplexität zu erfassen. Dabei ist SE grundsätzlich ein Mittel zum Zweck und kein selbstständiges Ziel.