Systems Engineering

Systems Engineering (oder Systems Design Engineering, s.a. Operations Research) entstand ungefähr zur Zeit des zweiten Weltkriegs. Es wurde entwickelt um große bzw. komplexe Entwicklungen von z.B. Flugzeugen oder Kriegsschiffen in beherrschbare Systeme zu zerlegen und sie somit verwaltbar zu machen, dies kann zum Beispiel durch das Produktlebenszyklusmanagement geschehen. Um diesen Ansatz zur Verwaltung von Konzeption, Design, Produktion, Betrieb und Wiederverwertung zu verwirklichen, ist es nötig einen interdiszipinären Ansatz von Management und Engineering-Disziplinen zu nutzen. Hierbei ist zu beachten, dass sich jedes Projekt bis zu seiner Wiederverwertung weiterentwickelt und somit sich das System laufend verändert.

Dieser anhaltend komplexe Ansatz der Entwicklung von Systemen beruht auf der Wechselwirkung zwischen den Systemkomponenten und ist somit nicht vollständig definiert. Um Systems Enginnering erfolgreich durchzuführen ist ein Systemdenken notwendig, daher ist es auch wichtig durchgängige Methoden für Entwicklung und Analyse auf System- und Softwarelevel zu finden, um das komplette System beschreiben zu können.

Admiral Grace Hopper sagte einmal: "Life was simple before World War II. After that, we had systems."

Überblick

Diese Methoden und Anwendungen werden oft von „Systems Engineers“, wie auch in den Naturwissenschaften, entwickelt und genutzt:

Modellbildung, Simulation und Bewertung;
Planung, Entwurf, Analyse, Integration und Betrieb komplexer technischer Systeme;
Umweltgerechte Wiederaufbereitung oder Beseitigung von Systemen;
Schnittstellen-Spezifikation bzw. -Entwicklung;

Geschichte

Der erste bedeutende Einsatz von „Systems Engineering“ fand in der Telefonie statt. Die verschiedenen Teile des Telekommunikationssystems müssen sehr gut interagieren (dt. zusammenarbeiten). Einen sehr guten Überblick über die Schnittstellen und Logikbausteine und deren Geschichte bietet "Digital Telephony" von John C. Ballamy. Zusätzliche Information zu diesem Thema bietet z.B. Newton's Telecom Dictionary.

Geltungsbereich

Neuerdings akzeptiert die Industrie, dass das Entwickeln von großen und kleinen Systemen zu neuen Systeminformationen führen kann. Entscheidungen zu Beginn eines Projekts, dessen Auswirkungen noch nicht vollständig verstanden sind, können zu gewaltigen Auswirkungen am Ende des Projekts führen, und es ist eine Aufgabe des modernen System-Ingenieurs, diese Auswirkungen zu finden und kritische Entscheidungen zu treffen. Es gibt keine Methode, die garantiert, dass eine heute gemachte Entscheidung immer noch gültig ist, wenn ein System nach Jahren oder Jahrzehnten in die Wartung geht, aber es gibt Techniken, den Prozess des „Systems Engineering“ zu unterstützen. Beispiele für die Benutzung einfacher System-Methodenlehren sind Jay Wright Forrester's „System Dynamics“ Methoden und die Unified Modeling Language (UML), die ständig weiter entwickelt werden, um den „Engineering Process“ zu unterstützen.

„Systems Engineering“ beinhaltet oft die Modellierung und Simulation von Teilen des angenommenen Systems, um die Annahmen auszuwerten oder die Theorien weiterzuentwickeln. Zum Beispiel werden hochkomplexe Systeme wie Flugzeuge vor dem Flug modelliert und simuliert. Diese Art der initialen Modellentwicklung und Gleichungsbestimmung kann entwickelt werden, bevor das System physisch existiert. Das vereinfacht die teure und schwierige Fehlerbehebung und reduziert das Risiko eines Absturzes. Vorsichtiges anfängliches Testen und die Weiterentwicklung der Flugzeuge sind notwendig um ein sicheres und fortschrittliches Flugzeug zu entwickeln. „Systems Engineers“ testen und bestätigen das Verhalten des entwickelten Systems. Zum Beispiel bei medizinischen Maschinen, wie Herz- oder Lungenmaschinen, überprüfen sie das Zusammenwirken der unterschiedlichen Teile von verschiedenen Firmen. Dabei testen sie zum Beispiel, ob der Ausfall von einem Teil des Systems dem Patienten schaden kann, um eine solche Schwachstelle zu verstärken oder zu beseitigen. Ein anderes Arbeitsgebiet liegt bei Kommunikationssystemen oder Bank-Software, da in diesen Gebieten ein Fehler große Verluste oder eine Pflichtverletzung beinhalten kann. Tests von Teilsystemen oder der Einbau von Hilfstestfunktionen können oft Fehler beseitigen, die ansonsten dem Unternehmen teuer zu stehen kommen würden.

Teilbereiche des Systems Engineering

Es ist offensichtlich, dass viele spezielle Bereiche oder Nischen innerhalb der Ingenieurwissenschaften mit den Teilbereichen des Systems Engineering in Berührung kommen. Die steigende Anzahl von komplexen und sehr unterschiedlichen Systemen erwirkt immer größere Überschneidung zwischen diesen Bereichen. Viele Teilbereiche begreifen ihre eigenen Leistungen nur als Teil der größeren Gebiete. In Wirklichkeit tragen viele dieser speziellen Entwicklungen einen deutlichen Anteil zur Weiterentwicklung und Forschung des Systems Engineering bei. Die Softwareentwicklung, zum Beispiel, hat bei der modernen Wahrnehmung des „Systems Engineering“ sehr geholfen.

Sicherheitstechnik

Sicherheitstechnik wird heute überall dort angewandt, wo Menschen große komplexe Ereignisse absichern wollen, damit diese Systeme keine Schäden auslösen können. Die meisten dieser Sicherheitstechnik dient nur dazu geplant mit Fehlern umzugehen.

Die momentanen Entwicklungsstandards, wie etwa die im Luftfahrt- oder Raumfahrtbereich oder in der Automobilindustrie, der Kerntechnik, der Medizintechnik oder dem Eisenbahnwesen, definieren Risikokategorien und Modelle für Sicherheitsebenen (SIL) und leiten daraus Anforderungen an die Entwicklung wie auch die Qualitätssicherung ab. Diese Fehlerbaumanalyse(FTA) auch auf die Software fortzusetzen ist, trotz der Komplexität der Software, ein mögliches Ziel in der Entwicklung des Systems Engineering.

Normalerweise werden Systeme als sicher zertifiziert, wenn bei ihnen nur alle 10^9 Stunden (30 Jahre) mechanische Fehler vorkommen. Die meisten westlichen Atomreaktoren, medizinische Geräte und Flugzeuge sind so zertifiziert. Dies wird so akzeptiert nicht weil der Verlust von Menschenleben akzeptabel ist, sondern weil ein derart sichere Konstruktion eine Sicherheit erzeugt, die so groß ist, dass es leicht möglich ist die Maschine so rechtzeitig zu warten oder auszutauschen, dass ein nicht Ausfall zugesichert werden kann.

Schnittstellendesign

Schnittstellendesign beschäftigt sich damit, die Teile eines Systems miteinander zu verbinden. Zum Beispiel stellen die Stecker zwischen zwei Computersystemen einen fruchtbaren Boden für Fehler dar. Manchmal kann schon ein Goldüberzug über die Kontakte dazu führen, dass Millionen von Euro gespart werden können.

Ein anderes Beispiel ist, dass zugesichert werden muss, dass Signale, die ein System verlassen, innerhalb einer Toleranz liegen. Ebenso sollte der Empfänger eine größere Signaltoleranz haben als der Empfänger. Hinzu kommt das eine Schnittstelle erweiterbar sein soll. Vielfach ist das ein Problem, da dann zum Beispiel die Übertragungsgeschwindigkeit nicht mehr erreicht wird oder die Datenformate nicht mehr ausreichend sind. Eine Faustregel ist hierbei dass 20% des Platzes bei einer Schnittstelle für zusätzliche Erweiterungen freigelassen werden sollten.

Mensch-Computer-Interaktion (Human-Computer Interaction HCI) ist ein anderer Aspekt des Schnittstellendesigns und es ist ein sehr vitaler Teil des modernen Systems Engineering, wenn man den User eines Systems betrachtet.

Kognitives „Systems Engineering“

Kognitives „Systems Engineering“ sieht den Menschen als Teil des Systems. Kognitives Systems Engineering hängt stark mit den Erfahrungen die über Jahrzehnte in den Anwendungen der beiden Teilbereiche Kognitive Psychologie und Systems Engineering gemacht wurden zusammen. Kognitives Systems Engineering hat sich stark auf das Erforschen der Interaktionen zwischen Mensch/Umwelt fokussiert, ebenso sollen Systeme entwickelt werden, die das menschliche Denken akzeptieren. Kognitives Systems Engineering arbeitet an den Punkten:

Probleme die durch die Umwelt auftreten
Notwendigkeit von Vermittlern (bei beiden Mensch und Software)
Interaktion der verschiedenen Systeme und Technologien um die Situation zu beeinflussen

Kommunikations Protokolle

Schnittstellen Design wird auch genutzt um Reserveleitungen, freie Kontaktstellen, Kommando Codes und Bits in Kommunikationsprotokollen zu setzen. Systems Engineering Prinzipien stimmen prinzipiell mit den Netzwerk Design/Protokollprinzipien überein.

Kommunikation ist ein wesentliches Element von Systemen. Ohne Kommunikation existiert kein System.

Daher ist es besonders wichtig Kommunikationsprotkolle einzuhalten und zu entwickeln.

Risikomanagement

Risikomanagement ist ein notwendiges Hilfsmittel des Systems Engineering, damit mögliche Gefahren von Entwicklungen abschätzbar werden und somit die Systementwicklung erfolgreich durchgeführt werden kann. Es kann somit zum Beispiel vermieden werden, dass die Auswirkungen einzelner Subsysteme zum Absturz des ganzen Systems führen.

Lehre

In Deutschland gibt es immer mehr Universitäten und Hochschulen die Systems Engineers ausbilden. Ein Problem hierbei ist das Systems Engineering ein sehr breites Feld beinhaltet, so dass die Ausbildung von Universität zu Universität sehr unterschiedlich aussehen kann.

Siehe auch

Literatur

Reinhard Haberfellner, Peter Nagel, Mario Becker, Systems Engineering, 2002, ISBN 385743998X
Rainer Züst, Systems Engineering, kurz und bündig, 1999, ISBN 3857439998
John C. Ballamy, Digital Telephony (Wiley Series in Telecommunications and Signal Processing), 2000, ISBN 0471345717

Weblinks

Hochschulen, die den SE-Abschluß anbieten

Systems Engineering wird an folgenden Institutionen in Deutschland ausgebildet:

International z.B.: