Petra Winzer Generic Systems Engineering Ein methodischer Ansatz zur Komplexitätsbewältigung Generic Systems Engineering Petra Winzer Generic Systems Engineering Ein methodischer Ansatz zur Komplexitätsbewältigung Petra Winzer Fachbereich D/ Abteilung Sicherheitstechnik Fachgebiet Produktsicherheit und Qualitätswesen Bergische Universität Wuppertal Wuppertal, Deutschland ISBN 978-3-642-30364-7 ISBN 978-3-642-30365-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-30365-4 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science Business Media + www.springer-vieweg.de Vorwort Die Dummen machen jeden Tag die gleichen, die Schlauen jeden Tag neue Fehler. Diese zu meistern, ist das Anliegen des Generic Systems Engineering. Das vorliegende Buch zum Generic Systems Engineering stellt ein erstes Resümee von meiner Forschungsgruppe und mir dar. Es ist der Versuch, über zwanzig Jahre gesam- melte Erfahrungen und Forschungsergebnisse zu systematisieren und darzustellen. Während meiner Forschungstätigkeit erlebte ich immer und immer wieder, dass es in Teams bestehend aus Fachspezialisten unterschiedlichster Wissenschaftsdisziplinen schwer ist, sich gemeinsam im Rahmen des Problemlösungsprozesses zu verständigen. Der Systems Engineering Ansatz, d. h. das Denken in Systemen, ist für mich immer besonders hilfreich gewesen, um strukturiert und systematisch Probleme zu lösen. Da sich das Systems Engineering in verschiedenste Richtungen entwickelte, war es für mich ein persönliches Anliegen, einen Beitrag zu leisten, um den universel- len Charakter des Systems Engineering wiederherzustellen. Dabei unterstützten mich meine ehemaligen und gegenwärtigen Mitarbeiter am Fachgebiet Produktsicherheit und Qualitätswesen der Bergischen Universität Wuppertal sehr. Doch das vorliegende Buch wäre nicht entstanden, wenn mich nicht zwei Menschen besonders dazu motivierten. Dies sind meine Kollegin und Freundin Gabriele Seider und mein Mann Andreas Peschke. Sie im Besonderen sowie meine Familie machten mir Mut und gaben mir die Kraft, dass ich dieses vorliegende Buch nach jahrelanger Arbeit nun endlich gemeinsam mit dem Springer Verlag veröffentlichen kann. Ihnen allen sei auf das Herzlichste gedankt. Wuppertal, Februar 2013 Petra Winzer V Inhaltsverzeichnis 1 Das Systems Engineering (SE) – altes Denken in neuem Gewand ........... 1 1.1 Das SE als Wissenschaftsdisziplin ................................... 2 1.2 Das Systemdenken als Chance der Komplexität in der Vergangenheit .... 6 1.3 Die neuen Dimensionen der Komplexität und deren Anforderungen an das SE .......................................... 10 1.4 Das SE im Wandel der Zeit ......................................... 20 1.4.1 Universelle SE-Konzepte .................................... 22 1.4.2 Fachspezifische Ansätze des SE ............................... 28 1.4.3 Vergleichende Betrachtung von universellen und speziellen SE Ansätzen ............................................... 44 1.5 Das SE und Möglichkeiten seiner Reformierbarkeit .................... 47 Literatur .............................................................. 54 2 Das Generic Systems engineering – ein Ansatz zum Beherrschen von Komplexität in neuer Dimension ....................................... 59 2.1 Die Synergie zwischen dem Denkmodell und dem Vorgehenskonzept – eine notwendige Bedingung im GSE ................................. 60 2.2 Die Forderungen an das Denkmodell des GSE ........................ 65 2.3 Chancen des Redesigns von SE-Vorgehenskonzepten .................. 75 2.4 Der erste Entwurf eines GSE und Ideen für seine Weiterentwicklung .... 84 Literatur .............................................................. 92 3 Die Systemmodellierung im GSE-Ansatz – Transparenz von Komplexität über das GSE-Denkmodell ............................................. 95 3.1 Die Sichten der Systemmodellierung beim GSE-Ansatz ................ 96 3.2 Die Beschreibungsmöglichkeiten von Denkmodellen .................. 111 3.2.1 Die Beschreibungsmöglichkeiten in den Sichten des Denkmodells des GSE-Ansatzes .............................. 113 3.2.2 Die Beschreibungsmöglichkeiten der Relationen zwischen den Sichten des GSE-Denkmodells ........................... 127 3.2.3 Die Systembeschreibung des GSE-Denkmodells mit Demand Compliant Design (DeCoDe) ................................ 131 VII VIII Inhaltsverzeichnis 3.3 Die Schrittfolge zum Erstellen des modifizierten GSE-Denkmodells ..... 136 3.4 Die Vor- und Nachteile der Systemmodellierung im GSE-Ansatz ........ 153 Literatur .............................................................. 163 4 Die Bausteine des GSE-Vorgehenskonzeptes – Komplexität mittels einfacher Regeln beherrschen ................................... 167 4.1 Das GSE-Analysemodul und ausgewählte Methoden und Verfahren ..... 172 4.2 Das GSE-Zielbildungsmodul und ausgewählte Methoden und Verfahren ................................................... 182 4.3 Das GSE-Gestaltungsmodul und ausgewählte Methoden und Verfahren ................................................... 193 4.4 Das GSE-Projektmanagementmodul ................................ 203 4.5 Die Interaktion der Module des GSE-Vorgehenskonzeptes und die Konsequenzen für die Systemmodellierung ........................... 214 Literatur .............................................................. 228 5 Fallbeispiele – neue Dimensionen der Komplexität mit GSE bewältigen .... 233 5.1 Die Verwendung des GSE-Ansatzes bei der Anforderungsaktualisierung in der Produktentwicklung ............... 235 5.2 Die Anwendung des GSE-Ansatzes bei der Entwicklung mechatronischer Systeme .......................................... 242 5.3 Die Nutzung des GSE-Ansatzes für Zuverlässigkeitsbetrachtungen von mechatronischen Systemen über den Produktlebenszyklus ......... 250 Literatur .............................................................. 261 6 Das neue Gewand des SE – GSE als eine Lösungsvariante .................. 263 Literatur .............................................................. 274 Verzeichnis der Bilder Abb. 1.1 SE-Disciplines (nach Weilkiens 2007, S. 15) ....................... 6 Abb. 1.2 Entwicklung des Mobiltelefons (nach Fotolia 2012) ................ 12 Abb. 1.3 Vorgehensmodell zur Problemlösung (nach Sell 1989, S. 70) ......... 23 Abb. 1.4 Grundsätzliche Gliederung für systematische Vorgehensmodelle (nach Rink 2002) .............................................. 24 Abb. 1.5 Problemlösen als diskursiver Prozess (nach Lindemann 2005, S. 36) ... 24 Abb. 1.6 Vorgehensmodell (nach Ehrlenspiel 2003, S. 83) ................... 25 Abb. 1.7 Das Münchner Vorgehensmodell (nach Lindemann 2005, S. 40) ..... 26 Abb. 1.8 Vorgehen des SE nach IEEE 1220-2005 (nach Ott 2009, S. 71) ....... 27 Abb. 1.9 Der zweidimensionale Rahmen des SE (nach Sage und Rouse 2009, S. 20) ......................................... 28 Abb. 1.10 Schrittfolge zur Produktentwicklung (nach Pahl et al. 2005, S. 19) .... 31 Abb. 1.11 Generelles Vorgehen in der Entwicklung und Konstruktion (nach VDI 2221, S. 9) .......................................... 32 Abb. 1.12 Phasenmodell der Entwicklung (nach Schnieder 1999, S. 206) ....... 34 Abb. 1.13 Systemtechnisches Vorgehensmodell (in Anlehnung an VDI 2221, S. 3) ............................................. 36 Abb. 1.14 Standardisiertes V-Modell entsprechend der VDI 2206 (nach Ott 2009, S. 106) ......................................... 37 Abb. 1.15 Das Spiralenmodell (nach Balzert 1998) .......................... 39 Abb. 1.16 Das V-Modell (nach Fuchs et al. 2001). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Abb. 1.17 Einordnung der Entwicklung, Realisierung und Nutzung von Produktionssystemen (nach Schenk 2004, S. 120) .................. 40 Abb. 1.18 Prozessschema des Requirements Engineering (nach Ott 2009, S. 96) .......................................... 42 Abb. 1.19 Vorgehensmodell nach IEC 61508 (IEC 1998) ..................... 42 Abb. 1.20 Vorgehensmodell nach EN 954-1 (EN 954-1 1996) ................. 43 Abb. 1.21 SE im Wandel der Zeit (Mamrot und Winzer 2013) ................ 47 Abb. 1.22 Übergreifende Schritte eines Vorgehensmodells im SE (nach Arlt 1999) ............................................... 48 Abb. 1.23 Similar Process (nach Bahill und Gissing 1998) .................... 49 IX X Verzeichnis der Bilder Abb. 1.24 Gegenüberstellung von Vorgehensplan der VDI-Richtlinie 2221 und SE-Vorgehen (nach Haberfellner et al. , S. 94) ................. 49 Abb. 1.25 Modularkonzept des SE (nach Weilkiens 2007, S. 9) ................ 52 Abb. 2.1 Das SE-Konzept nach (nach Haberfellner und Daenzer 2002) ........ 64 Abb. 2.2 Beispiele für Systemarten (nach Atkins und Paula 2006) ............ 66 Abb. 2.3 Bestandteile und Merkmale eines Systems (nach Lindemann 2005, S. 10) ................................................... 67 Abb. 2.4 Merkmale von Systemen (nach Häuslein 2004, S. 29) ............... 68 Abb. 2.5 System – Subsystem – Systemelemente (nach Haberfellner et al. 2012, S. 47) ............................................... 69 Abb. 2.6 Modelle zur Untersuchung und Gestaltung von Systemen (nach Häuslein 2004, S. 40) ..................................... 69 Abb. 2.7 Black-Box-Modell eines Kraftwerks .............................. 72 Abb. 2.8 Die Darstellung des Pendels als dynamisches Modell, http://www.ullala.at/experiments/movement/images/pendel1.gif ..... 73 Abb. 2.9 Der erste GSE-Ansatz (in Anlehnung an Sitte und Winzer 2004) ..... 88 Abb. 2.10 Wechselwirkungen der Bestandteile des ersten GSE-Ansatzes (in Anlehnung an Sitte und Winzer 2004) ......................... 89 Abb. 2.11 Kontinuierliche Verbesserung des Systems über seinen Lebenszyklus mithilfe des ersten GSE-Ansatzes (in Anlehnung an Sitte und Winzer 2004) ...................................... 89 Abb. 3.1 Denkmodell als generalistisches Abbild von Systemen ohne definierte Sichten .............................................. 96 Abb. 3.2 Schema zur Beschreibung von Wechselwirkungen zwischen A und K (nach Kanie 2009) ..................................... 97 Abb. 3.3 Systembeschreibung über den Informationsfluss (nach Weilkiens 2007, S. 57) .................................... 101 Abb. 3.4 Ausschnitt eines semantischen Netzes für Lagerung (nach Pahl et al. 2005, S. 60) ..................................... 103 Abb. 3.5 Verschiedene Abstraktionsstufen eines Zweischalenweckers (nach Ehrlenspiel in Lindemann 2005, S. 107) ..................... 104 Abb. 3.6 Das GSE-Denkmodell mit vier definierten Sichten ................. 107 Abb. 3.7 Denkmodell eines Spielzeugroboters in vier Sichten (in Anlehnung an Sitte und Winzer 2011) ...................................... 109 Abb. 3.8 Die strukturierte Beschreibung der vier Sichten des GSE-Denkmodells für einen Spielzeugroboter (Sitte und Winzer 2007) ........................................ 109 Abb. 3.9 Das Prinzip der Vernetzung der vier Sichten im GSE-Denkmodell ... 110 Abb. 3.10 Das Prinzip der zeitlichen Veränderung des GSE-Denkmodells ...... 110 Abb. 3.11 Der stakeholderbezogene Ansatz zur Anforderungsstrukturierung (nach Lex 2004) ............................................... 114 Verzeichnis der Bilder XI Abb. 3.12 Das Priorisieren von Anforderung über eine Anforderungs- Anforderungsmatrix (Sitte und Winzer 2006) ..................... 115 Abb. 3.13 Darstellung der Relationen zwischen Anforderungen über den paarweisen Vergleich (Lex 2004) ............................. 117 Abb. 3.14 Ausschnitt aus einem Anforderungsvergleich für eine logistische Anlage ............................................. 117 Abb. 3.15 Genereller Aufbau einer K-&V-Matrix (nach Puls 2002 S. 90) ....... 118 Abb. 3.16 Die ebenenbezogene Darstellung der Relationen zwischen Komponenten (Sitte und Winzer 2006) ........................... 119 Abb. 3.17 Möglichkeit der Attribuierung von Relationen zwischen den Komponenten (Riekhof et al. 2012) .............................. 120 Abb. 3.18 Darstellung der Realation zwischen den Komponenten über ein Flussbild (Sitte und Winzer 2007) ............................ 120 Abb. 3.19 Relationsorientiertes Funktionsmodell eines Tischstaubsauggerätes mit nützlichen Funktionen (weiße Textfelder) und schädlichen Funktionen (schwarze Textfelder) (nach Lindemann 2005, S. 138) ... 121 Abb. 3.20 Beispiel einer Funktions-Funktions-Matrix (Schlund et al. 2007) ..... 122 Abb. 3.21 Attribuierte Relation zwischen den Prozessen (nach Braunholz 2006) ......................................... 123 Abb. 3.22 Grundstruktur für die Beschreibung der Elemente je Sicht im GSE-Denkmodell (Müller et al. 2010a) ......................... 124 Abb. 3.23 Hierarchisierung und Relationen zwischen Komponenten (Riekhof et al. 2012) ............................................ 126 Abb. 3.24 Connectivity maps (vgl. Lindemann et al. 2009, S. 58) .............. 128 Abb. 3.25 Darstellung der Relationen zwischen den Sichten eines Systemabbildes über das PromeSys-Portal (Winzer und Riekhof 2010) ..................................... 130 Abb. 3.26 DeCoDe-Grundschema (nach Winzer et al. 2007) .................. 131 Abb. 3.27 Erstellen des modifizierten GSE-Denkmodells mithilfe des GAMMA-Tools (Ott et al. 2005) ............................. 134 Abb. 3.28 Das modifizierte GSE-Denkmodell eines Roboters im Ergebnis der Anwendung der DeCoDe-Tools (in Anlehnung an Sitte und Winzer 2011) ...................................... 134 Abb. 3.29 Das GSE-Denkmodell in Kopplung mit den DeCoDe-Tools (in Anlehnung an Sitte und Winzer 2011) ......................... 135 Abb. 3.30 Der Zusammenhang der logistischen Anlage und des Antriebes über den Black-Box-Modell-Ansatz (in Anlehnung an Jockisch und Holzmüller 2009. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Abb. 3.31 Komponenten-Komponenten-Matrix für den Rollengurtförderer (nach Jockisch und Holzmüller 2009) ............................ 139 Abb. 3.32 Funktions-Komponenten-Matrix (nach Jockisch und Holzmüller 2009) .......................................... 140