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odeA hodeB Iris Gräßler · Christian Oleff Systems Engineering Verstehen und industriell umsetzen Systems Engineering Iris Gräßler · Christian Oleff Systems Engineering Verstehen und industriell umsetzen IrisGräßler ChristianOleff HeinzNixdorfInstitut HeinzNixdorfInstitut UniversitätPaderborn UniversitätPaderborn LehrstuhlfürProduktentstehung LehrstuhlfürProduktentstehung Paderborn,Deutschland Paderborn,Deutschland ISBN978-3-662-64516-1 ISBN978-3-662-64517-8 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-64517-8 DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;detaillierte bibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. ©Der/dieHerausgeberbzw.der/dieAutor(en),exklusivlizenziertanSpringer-VerlagGmbH,DE,einTeilvon SpringerNature2022 DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtausdrücklich vomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Dasgiltinsbesonderefür Vervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspeicherungundVerarbeitung inelektronischenSystemen. DieWiedergabevonallgemeinbeschreibendenBezeichnungen,Marken,Unternehmensnamenetc.indiesem Werkbedeutetnicht,dassdiesefreidurchjedermannbenutztwerdendürfen.DieBerechtigungzurBenutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhaberssindzubeachten. DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformationenindiesem WerkzumZeitpunktderVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.WederderVerlag,nochdieAutoren oderdieHerausgeberübernehmen,ausdrücklichoderimplizit,GewährfürdenInhaltdesWerkes,etwaigeFehler oderÄußerungen.DerVerlagbleibtimHinblickaufgeografischeZuordnungenundGebietsbezeichnungenin veröffentlichtenKartenundInstitutionsadressenneutral. Planung/Lektorat:AlexanderGrün SpringerViewegisteinImprintdereingetragenenGesellschaftSpringer-VerlagGmbH,DEundisteinTeilvon SpringerNature. DieAnschriftderGesellschaftist:HeidelbergerPlatz3,14197Berlin,Germany V Geleitwort Systems Engineering hat international eine lange Geschichte, die ich selbst schon aktiv wissenschaftlich, methodisch, in der Industrie und als Unternehmens berater in zahlreichen Projekten begleiten und mitgestalten durfte. Kaum ein Gebiet ist einerseits so intensiv allgemeingültig beschrieben und anderseits so heterogen in der täglichen praktischen industriellen Bedeutung und Anwendung. Während die Luft- und Raumfahrt schon seit vielen Dekaden die Methoden des Systems Engineering anwendet, weiterentwickelt und in den Prozessen, Werkzeugen und Ausbildungsprogrammen institutionalisiert, kommen andere Branchen wie zum Beispiel der Automobilbau erst in den letzten Jahren „auf den Geschmack“. Auch hier zeigt sich wieder: die Bedeutung und die Anwendung von Systems Enginee- ring hängt direkt an der Komplexität der zu bewältigenden Aufgaben. Im Auto- mobilbau ist diese auf Grund des Technologie-Shifts zu Elektro-Antrieben, der Entwicklung des autonomen Fahrens und der hohen Vernetzung der Fahrzeuge mit Ihrer Umgebung und Software-Basierung nahezu exponentiell gestiegen – im Gegensatz zu den verfügbaren Ressourcen. Aber nicht nur unsere technischen Systeme werden komplexer. Die aktuellen Her- ausforderungen unserer Gesellschaft durch Digitalisierung, Lieferketten brüche, Energiekrise und Klimawandel erfordern Problemlösungskompetenzen, wie sie im Systems Engineering beschrieben und schon angelegt sind. Dazu werden wir auch das Systems Engineering teilweise neu interpretieren und zukunftsfähig machen müssen. Für die nutzbringende Anwendung von SE wird es aber notwen- dig sein, die Lücke zwischen Theorie und der praktischen Anwendung besser zu schließen. Genau an dieser Stelle setzt dieses Buch an. Das Buch wendet sich an Führungskräfte, Praktiker und Einsteiger ins Systems Engineering. Den Lesern werden die wesentlichen Elemente, auf die es im Sys- tems Engineering ankommt, greifbar vermittelt. Schlüsselfragen für die industrielle Umsetzung werden beantwortet. Welche Voraussetzungen benötige ich? Wie finde ich die passenden Methoden und das richtige Maß? Warum ist System- denken für Integrität und Nachhaltigkeit von Systemen entscheidend? Wie fügt sich Systems Engineering in meine bestehenden Entwicklungsprozesse und Vor- gehensmodelle ein? Welcher Verantwortung muss der Anwender gerecht werden und welche Rollen müssen etabliert werden? Welche Rahmenbedingungen muss ich als Führungs kraft für eine erfolgreiche Einführung und Veränderung schaffen? Für die verschiedenen Beiträge konnten die Autoren auf ihre persönlichen Erfah- rungen als Führungskraft in der Industrie, in Veränderungsinitiativen, bei der Grundlagenvermittlung und im Theorieverständnis durch die Lehre am Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn, in der angewandten Forschung und durch Projekte in der Industrie und Fördervorhaben zurückgreifen. VI Geleitwort Vor diesem Hintergrund haben die Autoren selbst eine umfassende SE Vorlesung über Jahre am Lehrstuhl für Produktentstehung auf- und ausgebaut. In gemeinsa- men Industrie-Projekten konnten wir uns intensiv mit der Ausbildung zum Sys- tems Engineer und auch der Modellbildung und Modellierung als eine Grundlage für Nachweisfähigkeit, Anforderungs- und Änderungsmanagement auseinander- setzen. Die Nachhaltigkeit eines Systems und von Entscheidungen hängt beson- ders an der Betrachtung des gesamten Lebenszyklus über Entwicklung, Fertigung, Nutzung bis hin zur Demontage und Recycling. Das Streben nach Zirkularität und die dazu notwendige vorausschauende und daten-/informationsgebundene Ent- wicklung ist ein weiterer wichtiger Forschungsschwerpunkt der Autoren. Auch hierzu werden im Buch wertvolle Anleitungen und Modelle bereitstellt. Mit diesem Buch ist ein wichtiger Beitrag für den Transfer von Systems Enginee- ring in die industrielle Praxis gelungen. Der aufzeigte Ansatz ergänzt und vertieft bestehende Denkmodelle und Schulen um die Sicht der Anwender und Führungs- kräfte. München, im November 2022 Dr. Stefan Wenzel Gründer und geschäftsführender Partner der 3DSE Management Consultants GmbH VII Geleitwort Besuchen Sie ein Automobilwerk und beobachten Sie den Tanz der Roboter bei einer komplexen Fügefolge: Dann fragen Sie sich bitte, was alles geleistet wurde, damit dort in dieser Kiste, in die der Roboter alle paar Sekunden greift, verbaubare, gesetzlich zulässige, hochqualitative, gewinnbringende und den Kundenwunsch erfüllende Komponenten liegen. Ich versichere Ihnen für jedes noch so kleine Bauteil und jedes Stück Software darin haben Menschen mit viel Leidenschaft entwickelt, abgestimmt, diskutiert, gestritten und festgelegt. Wie sie das getan haben? Das wird in meiner Industrie immer mehr so beantwortet: “Systems Engineering” Die Bedeutung des Systems Engineering für den Standort Deutschland ist nicht zu unterschätzen. Diese Entwicklungsmethodik bietet das Potenzial, unsere Ingeni- eurstugenden auf die Komplexität und die Veränderlichkeit dieser Welt auszurich- ten. Ich erlebe in meinem Unternehmen einen fundamentalen Wandel von klas- sisch mechanischen Produkten zu einem smarten software-definierten Produkt unter immensem gesellschaftlichen und unternehmerischem Druck. Der Traum der Mobilität für alle, die Herausforderungen einer Zero-Carbon-Gesellschaft - alles findet sich in den Entwicklungsumgebungen und “virtuellen Zeichentischen” unserer Forschung und Entwicklung wieder. Wir im Volkswagen Konzern haben uns mit unseren vielen Marken gemeinsam für Systems Engineering entschieden und wir gehen diesen Weg. Prof. Gräßler und Hr. Oleff sprechen in den folgenden Kapiteln von Befähigern (Tailoring, Modellbildung, Methoden), wir nennen es die Basis für den Aufbruch in die neue automobile Welt. Denn das ist Systems Engineering für uns, eine tiefgreifende Transformation unserer Entwicklungsabteilungen in unserem Entwicklungsver- bund mit fast 40.000 Menschen. Wenn Sie sich jetzt auch auf den Weg machen wollen, willkommen auf einem Dauerlauf Richtung Zukunft. Systems Engineering ist dabei eine Lebenseinstellung (Stichwort: “Systemdenken”), die auf dem Weg der Transformation die 3 typischen Erfolgsfaktoren kennt: 1. Menschen, 2. Men- schen, 3. Menschen. Sie wollen ein praxisnahes Buch zum Systems Engineering lesen? Herzlich willkommen. Als ich das Manuskript gelesen habe, hatte ich sofort das Gefühl: Dieses Buch hätten wir vor 5 Jahren gebraucht, denn wir finden alle angesprochenen Ele- mente in unserem Entwicklungsverbund wieder. Es freut mich umso mehr, dass Sie so ein Buch jetzt in den Händen halten können. Ich wünsche Ihnen, dass Sie aus den gewonnenen Erfahrungen und der aktuellen wissenschaftlichen Praxis ler- nen. Es ist schön, dass sich Prof. Gräßler und Hr. Oleff die Zeit genommen haben, Systems Engineering detailliert und gleichzeitig praxisrelevant mit Schwung dar- zustellen. VIII Geleitwort Und wenn Sie nach der Lektüre in Ihr Auto steigen, suchen Sie gern einmal nach unseren Systemen. Ob Fahr-, Interaktions- oder Automatisierungssystem. Für unsere nächsten Produkte finden Sie in unserem Entwicklungsverbund dazu die passenden Systemmodelle, erstellt durch Menschen in Systems Engineering Rol- len, in einer Entwicklungsorganisation gemäß unserer Systems Engineering Pro- duktstruktur, entwickelt mit Systemdenken in Hardware und Software. Und ganz am Ende verteilen wir die Systeme dann noch auf Bauteile. Und die fügt der Robo- ter in der Fabrik für Sie zusammen. Wolfsburg, im November 2022 Fabian Ahrendts Head of Group Systems Engineering Volkswagen AG IX Vorwort Liebe Leserin, lieber Leser, als ich vor neun Jahren bei Gründung meines Lehrstuhls keinen praxistauglichen Ansatz für Systems Engineering vorfand, begann mein Weg zu dem vorliegenden Fachbuch. Dass Systems Engineering hohe Effektivitäts- und Effizienzpotenziale bei der Entwicklung komplexer technischer Systeme erschließt, war damals schon klar. Was Systems Engineering aber konkret ausmacht und was es über die bislang bewährten Entwicklungsmethodiken hinaus leistet, war für Jeden etwas Anderes. Es folgten tiefgreifende Diskussionen in Theorie und Praxis, eine eigene Systems Engineering-Definition, große öffentlich geförderte nationale und internationale Forschungsprojekte sowie zahlreiche Industrieprojekte mit kleinen und mittel- ständischen Unternehmen bis hin zu Großunternehmen. Als die Erkenntnis her- anreifte, dass unser praxisnahes Systems Engineering Verständnis noch viel mehr Unternehmen helfen kann, übernahm ich den Vorsitz zur Erarbeitung einer neuen Richtlinie, die 2021 in die Neuauflage der VDI/VDE 2206 mündete. Sie bietet erst- mals eine konkrete und an das Systems Engineering angelehnte Hilfestellung bei der Entwicklung mechatronischer und cyber-physischer Systeme. Die Essenz unserer Erfahrungen haben wir in mehr als 70 Publikationen wissenschaftlich heruntergebrochen und in mittlerweile 16 Semestern Systems Engineering Mas- ter-Vorlesungen didaktisch vermittelt. Nun freuen wir uns, Ihnen unser praxisnahes Systems Engineering Fachbuch vor- zulegen. Damit haben sowohl angehende Ingenieurinnen und Ingenieure als auch gestandene Systementwickler die Möglichkeit, schnell ein hohes Maß an Effekti- vität und Effizienz in der Systementwicklung zu erreichen. Das Buch beschreibt in kompakter Form die Erfolgsfaktoren einer industriellen Umsetzung von Sys- tems Engineering wie Tailoring, Methodeneinsatz und Modellbildung sowie die drei Kernelemente Systemdenken, Entwicklungsmethodik und Rollenverständnis. Eine konkrete Schritt-für-Schritt Anleitung ebnet den Weg zur erfolgreichen Ein- führung von Systems Engineering. Mit unserem lebendigen Grafik-Stil setzen wir einen neuen Standard und vermitteln die Inhalte bewusst einprägsam. So wird nicht nur ein fundiertes Systems Engineering-Verständnis geschaffen, sondern auch die Basis für Kommunikation und Umsetzung im Unternehmen gelegt. Dieses Fachbuch wurde so geschrieben, dass der bestmögliche Überblick entsteht, wenn Sie unserer Wanderkarte folgen und es von Anfang bis Ende lesen. Gleich- zeitig ist jedes einzelne Kapitel so gestaltet, dass Verweise auf vorhergehende und nachfolgende Kapitel an den Stellen eingefügt sind, an denen auf Voraussetzungen aufgebaut wird, so dass Sie sich auch mit weniger Zeit einen guten Überblick über ausgewählte Themen verschaffen können. Zu Beginn eines jeden Kapitels werden die Inhalte kurz zusammengefasst, so dass Sie entscheiden können, ob Sie die ange- X Vorwort sprochenen Themen detailliert bearbeiten möchten. Wir haben uns um ein hohes Maß an Verständlichkeit bemüht und bewusst wissenschaftliche Abhandlungen vermieden. Da wir Ihnen aber die Möglichkeit zur themenbezogenen Vertiefung geben möchten, verweisen wir in jedem Kapitel auf die relevante Fachliteratur. Ganz bewusst werden dabei auch Arbeiten aus der Vergangenheit herangezogen, sofern diese den Grundstein für nachfolgende Forschungsaktivitäten gelegt haben. Ihnen, liebe Leserin und lieber Leser, wünschen wir Freude beim Lesen und viel Erfolg bei der Umsetzung des Systems Engineering! Nutzen Sie dieses Buch als Impuls! Diskutieren Sie in Ihrem Unternehmen, welchen Mehrwert Systems Engi- neering für Sie bietet und erschließen Sie gemeinsam die Potenziale! Paderborn, im November 2022 Iris Gräßler und Christian Oleff