Advanced Systems Engineering: Komplexe Systeme miteinander verknüpfen

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Als Carl Benz 1885 den ersten Motorwagen in Mannheim baute, ging es vorwiegend um die Fortbewegung. Mit den Jahren erlebte das Auto eine weitreichende technologische Evolution, blieb jedoch eine relativ autarke Maschine. Mit dem digitalen Wandel ändert sich auch das: Das einzelne Auto wird zum Bestandteil gewaltiger Datensysteme. Kurz: Es vernetzt sich mit der Welt, in der es unterwegs ist.

Vom notwendigen Software-Update bis zur Parkplatzsuche in der Smart City - Advanced Systems Engineering in der Praxis: Das Auto von morgen erzeugt, verarbeitet, speichert und sendet pausenlos Informationen rund um seine Nutzung. Daten, die in erster Linie einen „Digitalen Zwilling“ speisen, eine Repräsentanz des realen Fahrzeugs in der virtuellen Welt. Autobauer nutzen diese schon heute, um Fahrzeuge zu optimieren. So können Autos zum Beispiel eine notwendige Wartung erkennen und melden. Und das ist erst der Anfang. Vom Carsharing bis zum autonomen Fahren: Die Mobilität von morgen basiert auf einem Mix aus zentraler und dezentraler Steuerung.

Isoliert agierende Produkte werden zu Produkt-Service-Systemen

Und nicht nur das Auto wird zum Steinchen im gewaltigen Daten-Mosaik. Von Produktion über Landwirtschaft bis Medizintechnik: Indem die Digitalisierung den Produkten das Kommunizieren ermöglicht, hat sie das Potenzial, Märkte neu zu gestalten. Isoliert agierende Produkte werden zu vernetzten Produkt-Service-Systemen. Traktoren können künftig nicht nur ein Feld pflügen. Sie errechnen mithilfe von künstlicher Intelligenz auch gleich die optimale Fahrspur und planen die nächste Instandhaltung auf Basis von Nutzungsdaten. So rückt an die Stelle der klassischen Landmaschine ein komplexes, vernetztes System aus Mechanik, Elektronik, Software und Dienstleistung.

Wo Produkte in Systeme eingebunden sind, müssen Entwicklerinnen und Entwickler völlig neu denken. Bisher wurde innerhalb der Disziplinen entwickelt und Komponenten über Schnittstellen und Blackboxes miteinander verbunden. In Zukunft werden interdisziplinäre Entwicklungsteams Produktfunk­tionen entwickeln und dabei alle Disziplinen integrieren. Eine Aufgabe, die ein hohes Maß an disziplinübergreifender Kooperation im organisatorischen, wie im technischen Sinn erfordert. Denn bisher nutzen die einzelnen Fachbereiche in Unternehmen meistens ihre eigenen (IT-)Systeme, also technologische Insellösungen, die im Zuge der Digitalisierung in übergreifende Systeme überführt werden müssen. Mit dem Ziel, digitale Zwillinge zu etablieren, muss der Fluss von Informationen über alle involvierten Systeme sowie den gesamten Lebenszyklus des Produkts hinweg reibungslos funktionieren.

Advanced Systems Engineering: Fraunhofer IAO hilft Unternehmen bei disruptiven Geschäftsmodellen

Genau damit beschäftigt sich unser Team Advanced Systems Engineering am Fraunhofer IAO: Hier schaffen wir die Basis für eine effiziente Entwicklung neuer Produkt-Service-Systeme, die sich in bestehende Systeme beziehungsweise zu Systems-of-Systems integrieren. Damit unterstützten wir viele Unternehmen beim komplexen, aber notwendigen Schritt in die digitale Welt. Denn Digitalisierung, Systemkomplexität, resultierende, disruptive neue Geschäftsmodelle, Mass Customization und die steigende Volatilität zwingen Entwicklerinnen und Entwickler dazu, immer schneller und flexibler mit neuen Produkten und Lösungen auf Marktbedürfnisse zu reagieren. Mega­trends wie Nachhaltigkeit, Globalisierung, Konnektivität und Individualisierung sind zusätzliche Komplexitätstreiber, die nach neuen Entwicklungsmethoden rufen. Hierfür braucht es eine effiziente und integrierte Planung und Steuerung von Produkten, Dienstleistungen, Prozessen und Ressourcen, wie es das Advanced Systems Engineering (kurz ASE) ermöglicht.

Kunden lernen, bei der Entwicklung die Komplexität zu reduzieren

Konkret widmen wir im Team uns der Frage, wie Unternehmen neue Produkte möglichst flexibel und effizient entwickeln können. Wir helfen unseren Kunden dabei, Komplexität zu reduzieren und zu beherrschen. Zu den Technologien und Methoden, die wir dafür nutzbar machen wollen, gehören digitale Zwillinge, die modellbasierte Systementwicklung (MBSE), das Product-Lifecycle Management (PLM), das Software-defined Manufacturing (SDM), wertstromgerechte Produktgestaltung, Informations- und Datenflüsse in der Produktentstehung, Assistenzsysteme, künstliche Intelligenz (KI) und kollaborative räumliche Visualisierung.

Um Unternehmen die Möglichkeiten des ASE zu präsentieren, haben wir das Cognitive Engineering and Production (CEP)-Labor an unserem Institutsstandort in Stuttgart realisiert, in dem die Prinzipien des ASE am Beispiel eines Technologieträgers erläutert und demonstriert werden. Die mobile Variante davon ist das Mobile Plug-In-Labor, das Technologien und Methoden anschaulich aufzeigt und vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg gefördert wird. Das Labor ist in einem Container untergebracht, den wir flexibel an unterschiedlichen Orten, auch direkt beim Kunden vor Ort, aufstellen können. Anhand interaktiver Anwendungsbeispiele zeigt es, wie ein digitaler, ASE-gestützter Produktentwicklungs- und Produktionsprozess aussehen kann – von der Ideenskizze bis hin zum Endprodukt. In einem ersten Schritt wollen wir die Möglichkeiten des ASE erlebbar machen. In einem zweiten können wir mit unseren Kunden in den Laboren aber auch maßgeschneiderte Lösungen für deren konkreten Anwendungsfall entwickeln.

Die Forschung beschäftigt sich aktuell mit der Weiterentwicklung von Methoden, Beschreibungssprachen, IT-Werkzeugen, Visualisierungsumgebungen und Schnittstellen, um damit alle relevanten Aspekte zukünftiger Systeme und Systems-of-Systems abbilden und analysieren zu können. Bei der jährlich stattfindenden Veranstaltung des Fraunhofer IAO, dem Advanced Systems Engineering Summit, gibt das Forschungsteam seine Erkenntnisse und sein Know-how an Unternehmen weiter. Dieses Jahr findet der Summit am 20. und 21. Juni 2023 am Fraunhofer-Institutszentrum in Stuttgart statt.

Der Autor Mehmet Kürümlüoglu ist Leiter des Teams Advanced Systems Engineering am Fraunhofer IAO. Autor Benjamin Schneider ist Mitglied im Team Advanced Systems Engineering am Fraunhofer IAO.

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