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Modularisierung oder Systems Engineering - Wie entscheide ich mich richtig?

Der VDMA-Report „IT und Automation 2018“ zeigt eindeutig, was viele von uns schon gewusst oder zumindest vermutet haben: Kaum eine Maschine oder ein Produkt kommt noch ohne Softwarelösungen zur Steuerung, dem Auslesen von Daten oder zur Programmierung aus. Bis 2021 sind laut dem VDMA-Report in knapp drei Vierteln aller Produkte Cloud-Dienste geplant. Schon 2018 lag der Anteil von Software und Elektronik bei rund 1/3 des Gesamtproduktes. Der Umsatzanteil digitaler Services nimmt ebenfalls deutlich zu.

Mit der zunehmenden Digitalisierung von Produkten entstehen aber auch neue Herausforderungen. Die immer stärkere Vernetzung der Produkte erfordert intensivere Zusammenarbeit zwischen den Entwicklungsteams; Denken und Arbeiten in Silos funktioniert immer seltener. Häufig kommen zu den Herausforderungen durch stärker vernetzte Produkte auch wachsende Anforderungen aus dem Markt hinzu. Dies wird in der folgenden Grafik zur Aufteilung des Wertanteils zwischen Hardware, Elektronik und Software illustriert (Quelle VDMA-Report IT und Automation 2018).

Kunden fordern immer individuellere Lösungen, die auf ihre Anwendung und Bedürfnisse zugeschnitten sind, neue Mitbewerber drängen auf den Markt. Schnelle und flexible Reaktionen auf sich ändernde Anforderungen werden von Unternehmen heutzutage vorausgesetzt.

Modularisierung-Systems-Engineering-Wertanteil

Auf diese Herausforderungen versuchen viele Unternehmen mit zwei unterschiedlichen Methoden zu reagieren: Systems Engineering und Modularisierung. Zum Zeitpunkt der Einführung fehlt aber häufig ein klares Verständnis davon, wie sich beide Methoden abgrenzen, und wie diese zusammenspielen können. Da beide Methoden eine grundlegende Änderung der Arbeitsweise im Unternehmen zur Folge haben, ist eine genaue Kenntnis der Stärken und Schwächen der beiden Methoden notwendig, um Modularisierung und Systems Engineering erfolgreich im Unternehmen zu implementieren.

Bei einer parallelen Einführung der beiden Methoden ist eine genaue Kenntnis noch wichtiger, um Überschneidungen zu vermeiden und die bestmögliche Interaktion zwischen den Methoden zu ermöglichen. In diesem Artikel werden wir uns damit beschäftigen, was hinter Systems Engineering und Modularisierung, insbesondere dem Modular Function Deployment ®(kurz MFD®) steckt, wie diese beiden Ansätze bei neuen Entwicklungen unterstützen können und für welche Aufgaben sie jeweils geeignet sind.

Modularisierung-Systems-Engineering-Vergleich

Modularisierung Anleitung

Systems Engineering

Zu Systems Engineering existieren unzählige Veröffentlichungen, Bücher und Artikel im Internet. Die grundsätzliche Definition des Systems Engineering ist dabei meist identisch, jedoch gibt es in der weiteren Auslegung und Anwendung des Systems Engineering häufig unterschiedliche Ansätze.

Systems Engineering ist durch die englischsprachige internationale Gesellschaft für Systems Engineering (INCOSE) definiert :Systems Engineering is an interdisciplinary approach and means to enable the realization of successful systems. It focuses on defining customer needs and required functionality early in the development cycle, documenting requirements, then proceeding with design synthesis and system validation while considering the complete problem.”

Es handelt sich um einen interdisziplinären Ansatz um erfolgreich Systeme zu entwickeln. Dabei liegt der Fokus auf der Definition von Kundenanforderungen und den sich daraus ergebenden Produktanforderungen in einer frühen Entwicklungsphase, verbunden mit einer umfassenden Dokumentation unter Berücksichtigung des Gesamtproblems.

Ursprünglich wurde Systems Engineering in der Luft- und Raumfahrttechnik in den USA eingeführt, um große und hoch komplizierte Projekte schnell und erfolgreich durchzuführen. Die Grafik zeigt einen Teil einer Europa-Rakete, bei deren Entwicklung Systems-Engineering intensiv eingesetzt wurde, um Fehlschläge zu reduzieren (Quelle: Wikipedia).

Modularisierung-Systems-Engineering-Rakete

In den letzten Jahrzehnten hat Systems Engineering Einzug in viele Branchen und Industrien  gehalten. Ein Grund dafür sind die immer komplizierter werdenden Produkte - kaum eine Neuentwicklung, seien es Konsumgüter oder Investitionsgüter, kommt heute ohne Vernetzung aus. Das heißt, dass bei der Entwicklung und Produktion neben den mechanischen und elektrischen Baugruppen auch die Digitalisierung von Funktionalitäten sowie die Verknüpfung der Produkte mit digitalen Services beachtet werden müssen. Damit einher geht die immer stärker notwendige Zusammenarbeit zwischen Mechanikern, Elektronikern und Programmierern.

Durch den Einsatz von Systems Engineering soll sichergestellt werden, dass alle Disziplinen auf Basis derselben Produktanforderungen und desselben Systemverständnisses arbeiten. So soll erreicht werden, dass das fertig entwickelte Produkt die Kundenanforderungen bestmöglich erfüllt und gleichzeitig in-time, in-cost und in-quality entwickelt werden.

Um hierfür eine einheitliche Datenbasis zu erstellen, werden im Systems Engineering Funktions- und Wirkstrukturen aufgebaut. Das gesamte Produkt wird dazu auf rein funktionaler Ebene in Teilsysteme untergliedert und die Einflüsse und Wechselwirkungen zwischen den Teilsystemen identifiziert und abgebildet. Zudem wird untersucht, welchen Einfluss die Teilfunktionen auf die Erfüllung der Produktanforderungen („Requirements“) haben.

Systems Engineering wird mit einem V-Modell dargestellt. Auf der linken Flanke stehen die Planung und Definition, auf der rechten Flanke stehen die Tests der auf gleicher Höhe auf der linken Seite durchgeführten Definitionen. In der Spitze des V-Modells, im Übergang zwischen Planung, Definition und Verifikation stehen die Software- und Hardwareentwicklung des Produkts.

Modularisierung-Systems-Engineering-V-Modell

Zu Beginn steht die Identifikation der wichtigsten Interessensvertreter im Projekt sowie deren Anforderungen. Diese sind interne Beteiligte, aber insbesondere auch die Kunden, für die das Produkt entwickelt werden soll. In diesem ersten Schritt werden auch Messgrößen und Zielwerte definiert, mit denen das System im letzten Schritt validiert werden soll.

Das Herunterbrechen der Anforderungen (In SE-Vokabular „Requirements“) in Teilsysteme bis auf Komponentenebene, dargestellt auf der linken Flanke des V-Modells, dient dazu, jedem Entwickler zu jedem Zeitpunkt eine eindeutige Information über die Anforderungen an sein Teilsystem zur Verfügung zu stellen und so Fehlentwicklungen zu vermeiden.

Durch das konsequente Ableiten von Anforderungen aus Anforderungen höherer Ebene ist sichergestellt, dass stets die Interaktionen und Einflüsse zwischen den Teilsystemen bekannt sind. Durch Tests von Teilsystemen bereits in möglichst frühen Entwicklungsstadien (rechte Flanke des V-Modells) werden Probleme früh erkannt und wirken sich nicht auf das Gesamtsystem aus.

Modulare Produktentwicklung

Bei modularer Produktentwicklung (hier im Besonderen: „Modular Function Deloyment®“) wird ein breiteres Spektrum an Kundenbedürfnissen und Anforderungen (häufig aus mehreren Marktsegmenten und Regionen) berücksichtigt. Modularisierung zielt hierbei auf die Gesamtrentabilität des Produktportfolios ab, anstelle der Betrachtung von individuellen Kostenzielen Produkt für Produkt.

Der Ansatz beinhaltet zudem eine strategische Perspektive: Die resultierende modulare Architektur ist so gestaltet, dass sie den sich ändernden Kundenbedürfnissen angepasst werden kann. Sie bietet so die Basis für Innovationen, so dass Produktfamilien über mehrere Generationen hinweg an sich ändernde Kundenbedürfnisse und Technologien angepasst werden können.

Der Schlüssel eines modularen Baukastens besteht darin, die Abhängigkeiten zwischen individuellen Komponenten (Hardware, Software, Service) und Produktvielfalt zu reduzieren und dann Module auf der Grundlage der strategischen Geschäftsziele des gesamten Produktportfolios zu optimieren. Hierbei muss ein Optimum zwischen notwendiger interner Vielfalt und erwünschter Flexibilität gefunden werden. Dies wird erreicht, indem zunächst die Funktionen des Produktes identifiziert werden und anschließend auf Basis strategischer Treiber den Bausteinen zugeordnet werden, die zu einem Produkt kombiniert werden können.

Bausteine werden unter Berücksichtigung ihrer Einflüsse auf Funktionen und Strategien zu Modulen verbunden, deren Schnittstellen anschließend standardisiert werden. Die Grundlage, welche Bausteine zu Modulen verbunden werden, ergibt sich sowohl aus funktionaler und geometrischer Zusammengehörigkeit als auch durch die Gründe für Varianz oder Standardisierung innerhalb eines Moduls.

Die Grafik zeigt die Gruppierung von Komponenten in Modulen, die unter strategischen Aspekten zusammengefasst wurden. So wurde beispielsweise ein Standardmodul definiert, dessen Komponenten entsprechend stabilen und allgemeinen Anforderungen entwickelt wurden. Dieses Modul kann so standardisiert in einem Großteil der Produktvarianten eingesetzt werden.

Modularisierung-Systems-Engineering-Module

 

Eine modulare Produktarchitektur ermöglicht den freien Austausch von Modulen, um eine effiziente, breite Palette von Produkten anbieten zu können. Neue und bestehende Modulvarianten können zu einer großen Vielfalt von Produktvarianten, die eine Produktfamilie ergeben, kombiniert werden, wobei die Anzahl der neuen Komponenten auf ein Minimum beschränkt wird.

Die modulare Gestaltung führt zu einer modularen Produktarchitektur, die Kosten in mehrfacher Hinsicht erheblich senkt und sicherstellt, dass das geforderte Portfolio, neue Technologien und Optimierung der Produktion mit minimierten Aufwänden erreicht werden. Die Grafik zeigt, wie aus einer Auswahl von Modulvarianten verschiedenste Produktvarianten kombiniert werden können.

Modularisierung-Systems-Engineering-Konfigurationen

Wann braucht es Modularisierung, wann Systems Engineering?

Komplexe und komplizierte Systeme

Komplexität und Kompliziertheit werden häufig Synonym verwendet. Für das Verständnis der Abgrenzung zwischen Systems Engineering und Modularität ist eine genauere Definition hilfreich.

Von Kompliziertheit wird dann gesprochen, wenn ein Problem oder ein Produkt vielschichtig und aus vielen Einzelheiten besteht (DUDEN). Die Zusammenhänge zwischen den Einzelheiten sind definiert und bekannt, können also von einem Experten gut durchschaut werden. Ein Beispiel dafür ist eine mechanische Uhr, deren Verständnis oder Reparatur uns vor ein schier unlösbares Problem stellt, für einen Uhrmacher hingegen ist die Uhr einfach zu verstehen (Bildquelle: Wikipedia). Mit dem passenden Wissen können also komplizierte Systeme bewältigt werden.

Modularisierung-Systems-Engineering-Kompliziertheit

Komplexität beschreibt nach dem DUDEN ebenfalls eine Vielschichtigkeit und die Kombination vieler Merkmale. Im Unterschied zu Kompliziertheit sind die exakten Zusammenhänge der Merkmale nicht definiert. Wissen allein reicht also nicht zur Bewältigung von Komplexität. Systeme mit starker menschlicher Interaktion sind beispielsweise komplex. Es ist unvorhersehbar, wie ein Mensch auf einen bestimmten Zustand reagiert, seine Reaktion kann jedes Mal anders ausfallen. Beispiele für komplexe Systeme sind Unternehmen, Gruppen oder auch ein Fußballspiel, dessen exakter Ablauf und Ausgang nicht vorhergesagt werden kann. Diese Definitionen finden sich unter anderem auch hier. Die Grafik illustriert die zeitliche Veränderung als einen Aspekt eines komplexen Systems.

Modularisierung-Systems-Engineering-Komplexität

Lessempfehlung: Lesen Sie hier, wie Sie ermitteln, welche Kosten Komplexität in Ihrem Unternehmen verursacht.

Entwicklung komplizierter Systeme mit Systems Engineering

Systems Engineering ist eingeführt worden, um komplizierte Systeme überschaubarer zu machen und das häufig auch heute oftmals noch anzutreffende „Silodenken“ zu überwinden. Durch Modelle, die Zusammenhänge, Einflüsse und Einschränkungen zwischen Teilsystemen beschreiben, wird jedem Entwickler eine Teilmenge der Gesamtanforderungen, heruntergebrochen auf das von ihm zu entwickelnde Teilsystem, zur Verfügung gestellt.

Das heißt: Das System wird so weit unterteilt, bis die Kompliziertheit für jeden Einzelnen überschaubar wird.

Mit steigender Digitalisierung und Vernetzung steigt die Kompliziertheit neuer Entwicklungen stetig und der Einsatz von Systems Engineering scheint in immer mehr Bereichen sinnvoll. Systems Engineering dient dazu, die Kompliziertheit von Systemen unter Kontrolle zu bekommen und die Einhaltung von Entwicklungszielen zu vereinfachen. Systems Engineering ist daher insbesondere für hoch komplizierte Einzelprodukte und große Organisationen sinnvoll.

Die Modellierung der Systeme, die Einführung eines Systems Engineering Ansatzes sind jedoch mit großen finanziellen und zeitlichen Aufwänden verbunden. Es muss deshalb sicher gestellt werden, das Systems Engineering die passende Methode zur Erreichung der übergeordneten Unternehmensziele ist.

Häufig wird auch versucht, Systems Engineering zu verwenden, um variantenreiche Produktportfolios mit zeitlich dynamischen Kundenanforderungen zu entwickeln. Hier zeigt sich aber schnell, dass Systems Engineering allein nicht das passende Werkzeug ist.

Komplexe Produktportfolios mit modularen Produktarchitekturen entwickeln

Modularisierung wird eingesetzt, um Produktarchitekturen auf Basis von unterschiedlichen Kundenanforderungen und strategischen Unternehmenszielen zu entwickeln. Ziel modularer Produktarchitekturen ist es, Komplexität im Unternehmen zu reduzieren und damit schneller und kostengünstiger Produkte entwickeln, produzieren und vermarkten zu können.

Durch definierte Schnittstellen und Konfigurationsregeln werden eindeutige Zusammenhänge zwischen Modulen und deren Varianten hergestellt. Aufgrund der geschickten Unterteilung des Gesamtproduktes in Module lassen sich einfach neue Funktionen realisieren, ohne Änderungen an anderen unvorhersehbaren Stellen des Baukastens zu verursachen.

Die Module werden auf Grundlage der strategischen Ziele des gesamten Produktportfolios definiert. Hierbei werden einerseits die Abhängigkeiten zwischen einzelnen Modulen minimiert und andererseits Kundennutzten und strategische Unternehmensziele in den Modulen verankert. Dies gelingt, indem im Rahmen des Modular Function Deployment® Komponenten mit komplementären Varianztreiberprofilen zu Modulen gruppiert werden.

Auch wenn, anders als beim Systems Engineering, das primäre Ziel der Modularisierung nicht die Reduzierung der Kompliziertheit des Produktes ist, so zeigen sich trotzdem ähnliche Effekte in Bezug auf verringerte Kompliziertheit für den Einzelnen.

Während eines Modularisierungsprojektes werden, ähnlich dem Durchlaufen des SIMILAR“-Prinzips beim Systems Engineering, alle Funktionen aufgelistet, mögliche alternative Lösungen untersucht und so die für die Erfüllung interner und externer Kriterien (wie z.B. Kundennutzen, direkte und indirekte Kosten, technologisches Risiko, etc.) am besten geeignete Lösung weiterverfolgt.

Durch die Unterteilung des Produktes in unabhängige Module mit klar definierten Schnittstellen und Interaktionen reduziert auch Modularisierung die Kompliziertheit des Produktes für die Entwicklungsteams (Hardware & Software), die sich nun weitgehend unabhängig der Entwicklung einzelner Produkte im Rahmen der modularen Produktarchitektur widmen können. Die folgende Abbildung zeigt schematisch wie durch Modularisierung die Einflüsse zwischen verschiedenen Modulen auf wenige standardisierte Schnittstellen reduziert werden.

Modularisierung-Systems-Engineering-Entkopplung

Modularisierung eignet sich insbesondere, wenn eine Produktarchitektur aufgebaut werden soll, die unterschiedliche und sich ändernde Kundenanforderungen berücksichtigen muss. Modulare Produktarchitekturen erweisen sich dann meist über viele Jahre als stabil, anpassungsfähig und damit zukunftssicher.

Gemeinsame Nutzung von Modularisierung & Systems Engineering

Modularisierung und Systems Engineering stehen keinesfalls im Konflikt zueinander. Vielmehr ergänzen sie sich insbesondere bei hoch komplizierten Produkten hervorragend. Während die Modularisierung generell bei weniger komplizierten Produkten alleinstehen kann, wird der Systems Engineering Ansatz durch die Modularisierung erweitert und um wichtige Faktoren bezüglich Geschäftsziele der unternehmerischen Tätigkeit ergänzt.

Wird kein aufwendiger Systems Engineering Ansatz benötigt, kann Modularisierung, insbesondere durch Modular Function Deployment®, einige der grundlegenden Vorteile des Systems Engineering in der Organisation befördern. Modularisierung eignet sich daher hervorragend, erste Schritte im Systems Engineering zu gehen, ohne zu viele Ressourcen in den vielen Details des Systems Engineering zu binden.

Bei der Entwicklung des modularen Baukastens werden all die Anforderungen, die für die Definition einer modularen Produktarchitektur wichtig sind systematisch verwaltet. Dies sind insbesondere Anforderungen, die die Varianz des Produktportfolios betreffen. Diese machen ca. ein Viertel der Gesamtheit der Anforderungen, die bei der Entwicklung des Produktes berücksichtigt werden müssen aus.

Der Großteil genereller Anforderungen kann durch konventionelle Produktentwicklung, Systems Engineering oder auch agile Produktentwicklung verarbeitet werden. Hier kann jeweils der zum Unternehmens- und Produktkontext passende Ansatz ausgewählt werden – für hoch komplizierte Produkte bietet sich wie gesagt z.B. das Systems Engineering an.

 

Modularisierung-Systems-Engineering-Anforderungen

Soll eine modulare Architektur entwickelt werden, wenn bereits Systems Engineering eingeführt wurde, kann die modulare Architektur in den Rahmen des Systems Engineering eingebunden werden. Soll hingegen nach einer Modularisierung zusätzlich Systems Engineering eingeführt werden, kann das systematische Management von Anforderungen bezgl. Varianz und Produktarchitektur um das umfassende Management genereller Anforderungen durch das Systems Engineering ergänzt werden.

Systems Engineering und Modularisierung haben unterschiedlichen Fokus und ergänzen sich

 

In diesem Artikel haben wir gesehen, was die Stärken und Schwächen von Systems Engineering und Modularität sind sowie wie sich die beiden Methoden ergänzen können. Der Einsatz der Methoden überschneidet sich teilweise, der Fokus liegt jedoch auf unterschiedlichen Bereichen der Produktentwicklung. Daher ist es unbedingt notwendig, vor Start der Einführung einer der Methoden vollständige Klarheit über das Problem und die notwendigen Maßnahmen zu erlangen und sich stets im Klaren zu sein, dass Systems Engineering und Modularisierung als Methoden nur der Weg zum Ziel sind.

Systems Engineering dient dazu, die Kompliziertheit von Systemen zu reduzieren und hilft bei der Entwicklung hoch komplizierter Einzelprodukte. Es ist nicht dazu geeignet, Produktarchitekturen zu definieren und die Vielfalt oder schnelle Änderung von Kundenanforderungen abzubilden. Hier kann Modularisierung unterstützen.

Durch die geschickte Definition von Modulen, Schnittstellen und Strategien lassen sich mit Modularisierung Baukästen erstellen, die ein breites Spektrum von (sich ändernden) Kundenbedürfnissen abbilden. Die folgende Tabelle stellt die Auswahl der passenden Entwicklungsmethode in Abhängigkeit von Kompliziertheit des Produkts und Komplexität des Produktportfolios dar.

Modularisierung-Systems-Engineering-Tabelle

Insbesondere bei der Entwicklung von Produktarchitekturen für komplizierte Produkte kann ein gezielter Einsatz von Systems Engineering eine Modularisierungsinitiative unterstützen. Modulare Produktarchitekturen engen die Produktentwickler nicht ein, sondern bieten Unterstützung und Orientierungshilfe für die gesamte Organisation, um Unternehmen schneller, agiler und profitabler zu machen.

Wie schon in diesem Artikel beschrieben, ist die methodische Definition von Modulen der Kern einer modularen Produktarchitektur. Lesen Sie hier, wie Sie bei der Erstellung der Produktarchitektur vorgehen können, inkl. Guide zur Modul-Definition zum Download:

Anleitung Produktarchitektur

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