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Systemtechnik ist ein wichtiger Bestandteil jedes Projekts in der Maschinenbauindustrie. ob es sich um die Herstellung einer einfachen Komponente oder die Entwicklung eines komplexen Produkts wie eines Autos oder Flugzeugs handelt. Etablierte Organisationen wie die NASA und BAE Systems betonen die Bedeutung der Systemtechnik, um die Anforderungen zu erfüllen und Missionen und Projekte erfolgreich abzuschließen. Aber was genau ist Systemtechnik und welche Rolle spielt sie in der Luft- und Raumfahrtindustrie?
Überlegen Sie sich, was ein System ist, um diese Frage zu beantworten. Gemäß dem Electronic Reliability Design Handbook MIL-HBK-338B ist ein System:
"Eine Zusammenstellung von Geräten, Fähigkeiten und Techniken, mit denen eine operative Rolle oder beides ausgeführt oder unterstützt werden kann." (Verteidigungsministerium, 1998)
Ein System muss nicht unbedingt so komplex sein wie ein Fahrzeug oder ein Computer und kann Teil eines größeren, komplexeren Systems sein. Es muss nicht einmal von Menschen gemacht sein; Das Sonnensystem ist ein natürliches Beispiel für ein System, während die Bremsen von Autos ein eigenständiges System sind, das als Teil eines größeren Systems beiträgt. Ein System ist eine Zusammenstellung von Komponenten, die zusammenarbeiten, um eine Eingabe zu verarbeiten und eine Ausgabe zu erstellen.
Systeme können in eine Reihe kleinerer Systeme und Subsysteme aufgeteilt werden, die sich auf verschiedene Bereiche spezialisiert haben, um sicherzustellen, dass das Gesamtsystem seinen Anforderungen und Spezifikationen entspricht. Eine Hierarchie dieser Systeme kann erstellt werden, um die Anforderungen des Hauptsystems in kleinere und besser verwaltbare Komponenten aufzuteilen, die auf diese spezialisierten Subsysteme verteilt werden können.
Abbildung 1 - Beispiel einer Hierarchie von Systemen. (Moir & Seabridge, 2013)
Um sicherzustellen, dass alle Komponenten im Gesamtsystem zusammenarbeiten, ist viel Kommunikation und Integration zwischen Subsystemen erforderlich. Hier kommt die Systemtechnik ins Spiel. Die Systemtechnik wird vom International Council on Systems Engineering (INCOSE) wie folgt beschrieben:
„Ein interdisziplinärer Ansatz und Mittel zur Realisierung erfolgreicher Systeme. Es konzentriert sich darauf, Kundenbedürfnisse und erforderliche Funktionen zu Beginn des Entwicklungszyklus zu definieren, Anforderungen zu dokumentieren und dann mit der Entwurfssynthese und Systemvalidierung fortzufahren, wobei das gesamte Problem berücksichtigt wird. “ (INCOSE)
Systems Engineering ist „ganzheitlich und integrativ“ und schließt die Kommunikationslücke zwischen den verschiedenen Subsystemen, um „ein kohärentes Ganzes zu erzeugen“ (NASA, 2009). Während Subsysteme spezialisiert sind und sich auf einen Bereich des Hauptsystems konzentrieren, ist die Systemtechnik allgemeiner und verfolgt einen zielgerichteten Ansatz, wobei das Gesamtbild betrachtet wird, um sicherzustellen, dass die Subsysteme effektiv zusammenkommen, um das endgültige Hauptsystem innerhalb einer Frist zu produzieren und Budget.
Systemtechnik in der Luft- und Raumfahrt
Unternehmen in Branchen wie Automobilindustrie und Luft- und Raumfahrt finden die Systemtechnik besonders nützlich, um alternative Lösungen zu identifizieren, unvorhergesehene Probleme zu vermeiden und sicherzustellen, dass der Kunde mit der Qualität des Endprodukts zufrieden ist. Darüber hinaus gibt INCOSE an, dass „durch den effektiven Einsatz von Systems Engineering über 20% des Projektbudgets eingespart werden können“ (INCOSE, 2009). Mit der Systems Engineering-Software können Unternehmen jetzt Konzeptmodelle durch virtuelle Simulationen anhand der Kundenanforderungen testen und dokumentierte Sicherheitsnachweise für Bewertungen von Zertifizierungsstellen wie der Civil Aviation Authority (CAA) erstellen (3dsCATIA, 2011). Dies trägt dazu bei, Materialverschwendung beim Testen von Prototypen, Modifikationen und möglichen Verschrottungen zu reduzieren und den Prozess vom Konzept zum Produkt viel schneller und effizienter zu gestalten.
Das Ziel eines Systemingenieurs ist es, dem Kunden zu helfen, das vorliegende Problem richtig zu verstehen und Lösungen für das Problem vorzubereiten, aus denen der Kunde auswählen kann. Der Systemingenieur kann dann die verschiedenen Abteilungen des Projektteams zum Ziel der Implementierung dieser Lösung führen und führen, indem er mit der gewünschten Ausgabe beginnt, um die erforderlichen Eingaben zu ermitteln, und dann ständig auf die Kundenanforderungen zurückgreift, um sicherzustellen, dass das endgültige System den Anforderungen entspricht seine Spezifikationen. Dazu muss ein Systemingenieur über eine Reihe verschiedener Fähigkeiten und Merkmale verfügen, darunter:
- Eine breite technische Kompetenz: Systemingenieure benötigen ein grundlegendes Verständnis der meisten, wenn nicht aller der verschiedenen Subsysteme und den Wunsch, mehr über diese Bereiche zu erfahren.
- Einschätzung des Werts des Prozesses und der Gesamtziele, die erreicht werden müssen, um das Endziel zu erreichen, und der Fähigkeit, diese Ziele an die Subsystemteams zu richten;
- Ein selbstbewusster Anführer, aber auch ein starkes und selbstbewusstes Teammitglied. Harold Bell vom NASA-Hauptquartier schlägt vor, dass "ein großartiger Systemingenieur die Kunst der Führung vollständig versteht und anwendet und über die Erfahrung und das Narbengewebe verfügt, um das Abzeichen eines Anführers von seinem Team zu erhalten" (NASA, 2009);
- Fähigkeiten zur Problemlösung und zum kritischen Denken;
- Außergewöhnliche Kommunikations- und Hörfähigkeiten sowie die Fähigkeit, systemweite Verbindungen herzustellen;
- Die Fähigkeit, einen zielorientierten Ansatz im Gegensatz zu einer technischen oder chronologischen Einsicht zu verfolgen: Ein Systemingenieur betrachtet die Ausgabe, um die erforderlichen Eingaben für ein Projekt zu ermitteln, und muss in der Lage sein, das Gesamtbild zu sehen, wobei er sich nur auf die kleineren Details konzentriert wenn gebraucht;
- Bequem mit Veränderungen und Unsicherheiten: Laut NASA müssen Systemingenieure die Quantifizierung von Unsicherheiten in Teams verstehen und fördern, um ein System zu entwerfen, das diese Unsicherheiten berücksichtigt (NASA, 2009).
- Kreativität und technischer Instinkt, um den besten Weg zur Lösung eines Problems zu finden und gleichzeitig die Risiken und Auswirkungen zu erkennen;
- Richtige Paranoia: Das Beste erwarten, aber vorsichtshalber über das Worst-Case-Szenario nachdenken und es planen.
Einige der Verhaltensmerkmale eines Systemingenieurs lassen sich in einem Attribut zusammenfassen: Systemdenken. Das Systemdenken wurde 1956 von MIT-Professor Jay Forrester gegründet, der die Notwendigkeit besserer Methoden zum Testen neuer Ideen über soziale Systeme erkannte, ähnlich wie Ideen in der Technik getestet werden können (Aronson). Systemdenken ist eine Reihe allgemeiner Prinzipien, die es Menschen ermöglichen, soziale Systeme zu verstehen, zu verwalten und zu verbessern.
Der Ansatz des Systemdenkens unterscheidet sich grundlegend von der herkömmlichen Formularanalyse. Zum einen konzentriert sich die traditionelle Analyse auf den Reduktionismus - die Reduzierung von Teilen des Hauptsystems (auch als Holons bezeichnet) auf immer weniger werdende Komponenten (Kasser & Mackley, 2008). Im Gegensatz dazu betrachtet das Systemdenken das Gesamtbild und die Interaktion des Systems oder Teils mit den anderen Holons und erkennt Schleifen und Beziehungen zwischen den Holons. Dies kann häufig zu deutlich anderen Schlussfolgerungen führen als mit herkömmlichen Analysemethoden, kann aber auch dazu beitragen, das aufkommende Verhalten von Holons und die Möglichkeit unerwünschter Ergebnisse zu bestimmen - das Unerwartete zu erwarten. Durch diese Schritte wird es einfacher, neue und effektivere Lösungen für komplexe und wiederkehrende Probleme zu finden.Gleichzeitig wird die Koordination innerhalb der Organisation verbessert.
In der Industrie müssen Systemingenieure mit einer Reihe verschiedener Interessengruppen zusammenarbeiten, von denen jeder seine eigene Perspektive für das Design und die Entwicklung des erforderlichen Produkts hat. Wenn sich beispielsweise eine Luft- und Raumfahrtorganisation mit der Konzeptentwicklung eines neuen Zivilflugzeugs befassen würde, wäre eine breite Palette von Interessengruppen in Frage gestellt, darunter Lieferanten von Materialien und Dienstleistungen, Passagiere und Flugbesatzungen sowie Zertifizierungsstellen das direkt am Projekt beteiligte Engineering-Team. Abbildung 2 zeigt die typischen Akteure in einem System der Zivilluftfahrt, die in vier Hauptsystemschnittstellen unterteilt sind: sozioökonomische, regulatorische, technische und menschliche. Durch die Identifizierung dieser Schnittstellen können Systemingenieure planen, wann Interaktionen mit bestimmten Systemen erforderlich sind, und die Entwicklung und den Betrieb vereinfachen.Dokumentation des gesamten Prozesses.
Abbildung 2 - Typische Akteure in einem Zivilluftfahrtsystem. (Moir & Seabridge, 2013)
Jeder Stakeholder ist in derselben Schnittstelle von anderen abhängig. Beispielsweise muss bei der Beantragung eines Musterzertifikats eine Reihe von Prototypen hergestellt werden, um verschiedenen Tests unterzogen zu werden, und ein Wartungsprogramm muss zusammengestellt werden, um die kontinuierliche Lufttüchtigkeit nach Genehmigung des Entwurfs zu gewährleisten. Dies wird zusammen mit den Testergebnissen des Prototyps den Aufsichtsbehörden vorgelegt, die - wenn sie mit den Sicherheits-, Gesundheits- und Umweltaspekten des Prototyps zufrieden sind - den Prototyp genehmigen und die Lufttüchtigkeitsbehörde ein Musterzertifikat erteilt (MAWA, 2014). Weitere Vorschriften müssen dann eingehalten werden, damit das Luftfahrzeug sein Musterzertifikat und sein Lufttüchtigkeitszeugnis behalten kann. Andernfalls wird das Fliegen als unsicher eingestuft.Systemingenieure müssen daher die Vorschriften verstehen, denen das Flugzeug während seiner gesamten Lebensdauer entsprechen muss, und Methoden planen, um es auf einem lufttüchtigen Standard zu halten.
Die Arbeit eines Systemingenieurs endet nicht, sobald das Konzept zu einem Produkt geworden ist. Sie müssen dann mit einem Wartungsteam zusammenarbeiten, um das Produkt sicher und funktionsfähig zu halten, bis es außer Betrieb genommen wird. Abbildung 3 zeigt den Lebenszyklus eines Flugzeugs aus Sicht der Zivilluftfahrtbehörde (CAA) und die Art und Weise, wie Systemingenieure und Produktmanager in der Luftfahrt während des gesamten Lebenszyklus mit der CAA zusammenarbeiten müssten.
Abbildung 3 - Lebenszyklus eines Flugzeugs (The Civil Aviation Authority of New Zealand, 2009)
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Systems Engineering ist "eine entscheidende Kernkompetenz" für den Erfolg in der Luft- und Raumfahrtindustrie. In erster Linie geht es darum, die Komplexität zu verwalten, um das richtige Design zu erhalten, und dann die technische Integrität aufrechtzuerhalten und zu verbessern (NASA, 2009). Laut dem NASA-Administrator Michael D. Griffin in seiner Präsentation von 2007, Systems Engineering und die "zwei Kulturen" des Ingenieurwesens , trägt das Systems Engineering dazu bei, ein Gleichgewicht aller Subsysteme zu schaffen, die zu einem System kombiniert werden können, das über die vorläufige Entwurfsphase hinausgeht die Kundenanforderungen erfüllen, für die es explizit entwickelt wurde (Griffin, 2007).
Durch die Untersuchung der Konzeptentwicklung eines Zivilflugzeugs und die Berücksichtigung der verschiedenen Stakeholder und Systemschnittstellen, die direkt oder indirekt am Lebenszyklus des Flugzeugs beteiligt sind, wird deutlich, dass Systemingenieure eine Vielzahl von Verantwortlichkeiten und Perspektiven haben, die außerhalb des Flugzeugs zu verwalten sind Engineering-System, das auch nach Abschluss der Vorentwurfsphase weiterhin angesprochen und verwaltet wird. Durch die Sicherstellung, dass sie das Ausmaß des Endziels des Endprodukts vollständig verstehen und die Auswirkungen, die es auf die verschiedenen Stakeholder haben wird, einschätzen, können Systemingenieure die Inputs bestimmen, die erforderlich sind, um diese Ziele innerhalb der festgelegten Fristen und Budgets zu erreichen.
Obwohl die Systemtechnik je nach Branche und Präferenzen der Organisation unterschiedliche Formen annehmen kann, bleiben die zugrunde liegenden Methoden konsistent und das Ziel bleibt dasselbe: das beste Design zu finden, um die Anforderungen zu erfüllen. In jedem Engineering-Projekt gibt es eine Reihe spezialisierter Subsysteme, die zusammengeführt werden müssen, um sicherzustellen, dass das Endergebnis des Projekts seine Spezifikationen nach besten Kräften erfüllt.
Verweise
3dsCATIA. (2011, 30. September). Was ist "Systems Engineering"? - Grundlegende Sammlung. Von YouTube abgerufen:
Aronson, D. (nd). Überblick über das Systemdenken. Abgerufen 2016 von der Denkseite:
Verteidigungsministerium. (1998). MIL-HBK-338B Electronic Reliability Design Handbook. Virginia: Verteidigungsqualitäts- und Standardisierungsbüro.
INCOSE. (nd). Was ist Systemtechnik? Abgerufen 2016 von INCOSE UK:
INCOSE. (2009, März). zGuide 3: Warum in Systems Engineering investieren? Von INCOSE UK abgerufen:
Kasser, J. & Mackley, T. (2008). Anwendung des Systemdenkens und dessen Ausrichtung auf die Systemtechnik. Cranfield: Joseph E. Kasser.
Moir, I. & Seabridge, A. (2013). Design und Entwicklung von Flugzeugsystemen (2. Aufl.). Chichester: John Wiley & Sons Ltd.
NASA. (2009). Die Kunst und Wissenschaft der Systemtechnik. NASA.
© 2016 Claire Miller