Höhere Transparenz in Elektronik und Elektrotechnik durch Systems Engineering

Komplexität beherrschen

Moderne Produkte werden immer “smarter”. Für die Hersteller bedeutet dies eine zunehmende Komplexität. Konventionelle mechanische Produkte benötigen plötzlich elektrische Steuerungen, Internet-Anbindung und Software, um ihre Aufgabe zu erfüllen. Darüber hinaus müssen die elektronischen und elektrischen Systeme, die in die heutigen intelligenten Produkte verbaut sind, mit den schnell wachsenden Anforderungen des Marktes Schritt halten. Das bedeutet Miniaturisierung, steigende Funktionsdichte und hohe Netzwerkbandbreite, um nur einige zu nennen. Für die Hersteller ist das nicht einfach, denn sie müssen trotz all dieser Herausforderungen auch Kosten unter Kontrolle halten, ihre Liefertermine einhalten und die Anforderungen von Lieferanten und Kunden erfüllen.

Die Methoden des Systems Engineering helfen Unternehmen, die Produktkomplexität zu beherrschen und einzudämmen. Bei der Anwendung auf Elektronik und elektrische Systeme erhält das Systems Engineering eine ganz neue Dimension. Mit Hilfe dieses Ansatzes werden die Anforderungen und Funktionen eines Produkts detailliert analysiert und den Funktionen, logischen Architekturen und physikalischen Strukturen zugeordnet. Dies ermöglicht es, die Auswirkungen von Designänderungen mit den Anforderungen abzugleichen und abgesicherte Entscheidungen zu treffen.

Dieser Beitrag nimmt ausgewählte Bereiche unter die Lupe, in denen Systems Engineering zu besseren Ergebnissen führen kann.

Aufschlüsseln von Anforderungen und Funktionen

Der heutige Systems-Engineering-Prozess läuft heute in folgender Reihenfolge ab:

• Zunächst gliedern Systemingenieure die Kundenanforderungen auf und teilen sie in einzelne Arbeitspakete auf. Anschließend werden Funktionen definiert, die die Eigenschaften des Produkts beschreiben. Im Wesentlichen liefert diese Phase ein klares Bild der Kundenanforderungen und ihrer Umsetzung in Funktionen,
• Dabei werden die Anforderungen und Funktionen einzelnen Objekten in der Architektur zugeordnet. Auf diese Weise entsteht eine Gestaltungsrahmen für die pysikalische Konstruktion, der als “Design Envelope” bezeichnet wird. Dieser Gestaltungsrahmen liefert die erforderlichen Vorgaben für die Detailkonstruktion.
• Im letzten Schritt werden Schnittstellen definiert, mit denen beschrieben wird, wie die einzelnen Komponenten oder Subsysteme zusammenspielen. Die Entwicklung jedes Subsystems orientiert sich jeweils an der Definition der Schnittstelle. Wenn sich die Schnittstelle ändert, passen die Konstruktionsteams ihr Subsysstem entsprechend an. Die Schnittstellendefinition ist ein wichtiger Teil der logischen Architektur und sorgt dafür, dass Integrationsprobleme im weiteren Verlauf des Designprozesses vermieden werden.

“Digital Envelope”: Der digitale Gestaltungsrahmen

Nachdem die Systemdefinition abgeschlossen ist, werden die Anforderungen, Funktionen, logischen Architekturen und physikalischen Architekturen von den System-Ingenieuren die einzelnen Subsystem-Entwicklungsteams übergeben. Diese bilden die Vorgaben für die Gestaltung der Subsysteme. Zu diesen Vorgaben und Anforderungen gehören zum Beispiel Gewicht, Abmessungen, Kosten, Leistung oder Speicherkapazität. In der Regel werden in dieser Phase noch keine Konstruktionsdetails festgelegt. Allerdings muss der Gestaltungsrahmen eine vollständige Aufstellung der Systemfunktionen und -anforderungen enthalten; andernfalls kann kein detaillierter, den Anforderungen entsprechender Entwurf erstellt werden.

Mit dem Fortschreiten der Arbeit der einzelnen Teams ist davon auszugehen, dass sich die Subsysteme unterschiedlich schnell entwickeln. In der Regel arbeiten System-Engineering-Teams mit Tabellen und Dokumenten, mit denen sie den Fortschritt dokumentieren und koordinieren. Wenn aber alle Anforderungen, Funktionen, logische Architekturen und physikalischen Elemente mit Hilfe von Tabellenblättern und Dokumenten verwaltet werden, wird es für die Beteiligten schwer zu verstehen, welche Version die aktuellste ist – also die, mit der sie arbeiten müssen.

Eine bessere Alternative ist die Anwendung eines modellbasierten System-Engineering-Ansatzes (MBSE), der eine einheitliche Definition für alle Beteiligten bietet. Bei dieser Methode wird das Projekt als Modell dargestellt, das Anforderungen, Funktionsbeschreibungen, logische Architektur, physikalische Elemente samt ihren Zuordnungen und Beziehungen zwischen ihnen enthält und nachvollziehbar macht.

Nachvollziehbarkeit aller Änderungen

Wenn alle Entscheidungen von den Anforderungen und Funktionen des Produkts bis hin zu seinen spezifischen physischen Komponentenüber den gesamten Design-Lebenszyklus hinweg rückverfolgbar sind, kann jede Änderung hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das Gesamtsystem beurteilt werden.

Wenn alle Entscheidungen miteinander verknüpft sind, können alle Beteiligten die Auswirkungen einer Änderung auf das Gesamtsystem untersuchen. Systemingenieure haben die Möglichkeit, Detailkonstruktionen abzurufen um zu beurteilen, wie sich Änderungen auf hoher Abstraktionsebene auf physikalische Baugruppen auswirken. Konstrukteure wiederum können bei ihrer Arbeit an Detailkonstruktionen sofort verstehen, welche Anforderungen und Funktionen von ihrer Umsetzung betroffen sind. Diese Granularität sorgt dafür, dass Ingenieure und Designer nicht durch die Komplexität der von ihnen geschaffenen Systeme überfordert werden. Darüber hinaus ermöglicht das System-Engineering die Rückverfolgbarkeit und bietet auch auf Unternehmensebene einen Mehrwert, denn es hilft dabei, zu verstehen, wie sich Änderungen auf Kunden oder Geschäftsziele auswirken.

Die Nachverfolgbarkeit von konzeptionellen Entscheidungen ist ein wichtiges Instrument für die Beurteilung von Implementierungskonzepten und Designänderungen. Sie stellt den Bezug her zwischen Produktanforderungen, einzelnen Komponenten und allem, was dazwischen liegt, und ermöglicht so ein besseres Verständnis der Auswirkungen von Änderungen. Folglich gibt es in den Prototyp- und Testphasen keine unangenehmen Überraschungen. Der MBSE-basierte Prozess hilft die Komplexität smarter Produkte zu beherrschen, Konstruktionsfehler zu vermeiden und die allgemeine Produktqualität zu verbessern

Fassen wir zusammen

• System Engineering ist ein wichtiger Beitrag zur Beherrschung der Komplexität moderner, “smarter” Produkte. Es ermöglicht ein hohes Maß an Transparenz  und versetzt so Unternehmen in die Lage, Kunden- und Marktanforderungen besser zu erfüllen.
• Systemingenieure strukturieren Systemanforderungen und -funktionen mit hoher Granularität und stellen Schnittstellen bereit, mit denen der Gestaltungsprozess über die verschiedenen organisatorischen Abteilungen hinweg koordiniert werden kann.
• Konstrukteure erhalten detaillierte Anforderungen und Funktionen als Gestaltungsrahmen (“Design Envelope”). Die Koordination dieser Gestaltungsvorgaben und ihrer Umsetzung ist entscheidend für die Nachverfolgbarkeit aller Entwurfsiterationen.
• System-Engineering ermöglicht die Rückverfolgbarkeit von Änderungen. Dies versetzt Organisationen in die Lage, Systemanforderungen und Komponenten miteinander zu vernetzen, so dass die Auswirkungen von Änderungen über den gesamten Design-Lebenszyklus hinweg untersucht werden können.