Advanced Systems Engineering - Wertschöpfung im Wandel

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Advanced Systems Engineering - Wertschöpfung im Wandel
Advanced Systems Engineering
Wertschöpfung im Wandel

Engineering in Deutschland –
Status quo in Wirtschaft und Wissenschaft

                     Das wissenschaftliche Projekt AdWiSE wird durch das Bundesministerium für
                     Bildung und Forschung (BMBF) im Programm »Innovationen für die Produktion,
                     Dienstleistung und Arbeit von morgen«, Fördermaßnahme »Beherrschung der
                     Komplexität soziotechnischer Systeme – Ein Beitrag zum Advanced Systems
                     Engineering für die Wertschöpfung von morgen (PDA_ASE)« gefördert und
                     vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt
                    dieser Veröffentlichung liegt bei den Autorinnen und Autoren.
Advanced Systems Engineering - Wertschöpfung im Wandel
Advanced Systems Engineering
    Wertschöpfung im Wandel

    Engineering in Deutschland –
    Status quo in Wirtschaft und Wissenschaft

2                                              1
Advanced Systems Engineering - Wertschöpfung im Wandel
Vorwort                                                       7
            Extended Executive Summary                                    9

    1       Einleitung                                                    21

    2       Advanced Systems Engineering                                 25

     2.1    Wandel der Wertschöpfung                                      25
     2.2    Die drei Handlungsfelder des Advanced Systems Engineerings    28
     2.3    Anwendungsszenarien des Advanced Systems Engineerings         32

    3       Voruntersuchungen und Zielsetzung                             35

    4       Status quo des Engineerings in Wirtschaft und Wissenschaft    41

     4.1    Megatrends mit Einfluss auf das Engineering                   44
    4.1.1   Globalisierung im Engineering                                 45
    4.1.2   Digitalisierung im Engineering                                46
    4.1.3   Nachhaltigkeit im Engineering                                 48

     4.2    Advanced Systems – Marktleistungen von morgen                 50
    4.2.1   Perspektiven für Advanced Systems                             51
    4.2.2   Herausforderungen bei der Gestaltung von Advanced Systems     55

      4.3   Systems Engineering – Komplexität managen                     59
    4.3.1   Verständnis von Systems Engineering                           60
    4.3.2   Mehrwert des Systems Engineerings                             64
    4.3.3   Leistungsstand des Systems Engineerings in der Wirtschaft     67
    4.3.4   Einführung von Systems Engineering                            68
    4.3.5   Rollen im Systems Engineering                                 72
    4.3.6   Model-Based Systems Engineering                               74

2           I N H A LT                                                          3
Advanced Systems Engineering - Wertschöpfung im Wandel
4.4
      4.4.1
               Advanced Engineering – Engineering neu denken 
                Digitale Technologien im Engineering 
                                                                                       78
                                                                                       79
                                                                                             6     Resümee und Ausblick       147

     4.4.1.1    	    Digitale Durchgängigkeit und Produktlebenszyklusmanagement      79

                                                                                             7
    4.4.1.2     	    Digitale Zwillinge und Betriebsdatennutzung im Engineering      85
    4.4.1.3        	 Künstliche Intelligenz und Assistenzsysteme                     88
      4.4.2        Innovative Methoden im Engineering                                 93          Anhang                     149
    4.4.2.1           Agilität im Engineering                                         93
    4.4.2.2           Kreativitätsmanagement im Engineering                           97    7.1   Begleitforschung AdWiSE    149
    4.4.2.3           Produktgenerationsentwicklung                                   100   7.2   Abkürzungsverzeichnis      151
                                                                                             7.3   Glossar                    152
        4.5    Auswirkungen von ASE auf die Organisation und den Menschen             101   7.4   Literaturverzeichnis       153
      4.5.1    Organisation im Wandel                                                 102   7.5   Bildverzeichnis            159
     4.5.1.1      Wandel der Organisationsstruktur und -kultur                        102   7.6   Mitwirkende                161
    4.5.1.2       Kollaboration im Engineering                                        105
    4.5.1.3       Kooperation zwischen Wirtschaft und Wissenschaft                    108
      4.5.2    Der Mensch im Engineering                                              109
    4.5.2.1       Rollen im Entstehungsprozess                                        109
    4.5.2.2       Erforderliche Kompetenzen im Engineering                            112
    4.5.2.3       Bildungswege im Engineering                                         115

      5        Engineering im internationalen Vergleich                               121

       5.1     Systems Engineering                                                    124
      5.1.1    Systems Engineering in der Lehre                                       125
      5.1.2    Systems Engineering in der Forschung                                   132

       5.2     Advanced Engineering                                                   139
      5.2.1    Digitale Technologien im Engineering: Künstliche Intelligenz,
               Digitaler Zwilling und Produktlebenszyklusmanagement im Engineering    140
      5.2.2    Innovative Methoden im Engineering:
               Kreativität und Agilität im Engineering                                142

        5.3    Erste Ansätze des Advanced Systems Engineerings                        144

4                                                                                                  I N H A LT                        5
Advanced Systems Engineering - Wertschöpfung im Wandel
Vorwort

    Damit Unternehmen auch zukünftig erfolgreich       Um die neuen Angebote und Geschäftsmodelle
    bleiben, müssen sie sich dem Wandel der Wert-      zu gestalten, müssen die bestehenden Qua-
    schöpfung und den verändernden Marktbedin-         lifikationen durch vollkommen neue Ansätze
    gungen anpassen. Durch die Digitalisierung         ergänzt werden. Durch das Advanced Engi-
    zeichnet sich ein kontinuierlicher Wandel von      neering können die aktuellen Grenzen des Engi-
    den früheren Produkten über mechatronische         neerings übertroffen und bestehende Produkte
    Systeme hin zu intelligenten technischen Lösun-    und Dienstleistungen revolutioniert werden.
    gen ab. Diese Advanced Systems bergen ein          Dazu zählt zum Beispiel der Einsatz von aufstre-
    enormes Marktpotential – einmalige Chancen         benden Technologien wie KI und dem Digitalen
    und erhebliche Wettbewerbsvorteile für Pionier-    Zwilling als auch von neuen Arbeitsstrukturen
    unternehmen. Gleichzeitig erfordert die Entwick-   wie Agilität.
    lung dieser Systeme neue Kompetenzen und
    Qualifikationen der daran beteiligten Menschen.    Es ergibt sich ein besonderes Potential für die
                                                       zukünftige Wertschöpfung, wenn der Dreiklang
    Das Entwicklungsgeschehen muss sich den            aus Advanced Systems, Systems Engineering
    wandelnden Arbeitsstrukturen mit global ver-       und Advanced Engineering zusammenwirkt.
    teilten Wertschöpfungsnetzwerken anpassen.         Mit dem integrierenden Leitbild des Advanced
    Die gemeinschaftliche, nachhaltige Gestaltung      Systems Engineerings können die Akteure in
    der zukünftigen Produkte als auch der Produkt-     Wirtschaft und Wissenschaft die bestehenden
    entstehung erfordert talentierte Entwickler aus    Stärken forcieren und gemeinschaftlich das Ziel
    verschiedensten Fachgebieten wie zum Beispiel      verfolgen, den Innovationsstandort Deutschland
    Ingenieurwissenschaften, Informatik, Soziologie    nachhaltig weiterzuentwickeln. Dazu bietet die
    und Arbeitswissenschaft. Um die Komplexi-          vorliegende Lektüre einen umfassenden Einstieg
    tät dieses zunehmend interdisziplinären Ent-       in das Themenfeld. Die Analyse des aktuellen
    wicklungsgeschehens zu managen, müssen             Leistungsstands zeigt die bestehenden Heraus-
    die Fähigkeiten, Prozesse und Methoden des         forderungen auf und bietet einen ganzheitlichen,
    Systems Engineerings branchenübergreifend          systematischen Rahmen für die Transformation
    eingeführt und eingesetzt werden.                  der Engineering-Strategie.

                                                       Dr. Walter Koch
                                                       Vorsitzender der Gesellschaft für Systems Engineering e.V.
                                                       (GfSE e.V.)

6   VO RWO R T                                                                                                      7
Advanced Systems Engineering - Wertschöpfung im Wandel
Extended Executive Summary

    Die Digitalisierung, der globale Wettbewerb,     Advanced Systems Engineering (ASE) schafft
    der Wandel von Arbeitsstrukturen und der Leit-   einen Handlungsrahmen, um die vielfältigen
    gedanke der Nachhaltigkeit stellen Organisa-     systemorientierten und teils hochinnovativen
    tionen vor neue Herausforderungen. Prioritäres   Ansätze des Engineerings zu integrieren. Es
    Ziel ist, Wertschöpfung zu sichern. Damit Pro-   fungiert als Leitbild für die erfolgreiche Gestal-
    dukte, Software und Dienstleistungen weiter-     tung von innovativen Produkten, Dienstleis-
    hin profitabel entwickelt und zum Markterfolg    tungen und Produkt-Service-Systemen sowie
    geführt werden, muss neu gedacht werden. Der     deren Entstehungsprozesse. ASE steht für
    Wandel zu autonomen, interaktiven und dyna-      eine neue umfassende Perspektive in der
    misch vernetzten Produkten mit steigendem        Planung, der Entwicklung und dem Betrieb
    Software- und Service-Anteil stellt Unterneh-    der technischen Systeme von morgen. Im
    men vor weitere Herausforderungen. Komplexe,     Hinblick auf die weitere Konkretisierung des
    interdisziplinäre Entstehungsprozesse können     Leitbilds wurden der Status quo des Enginee-
    durch strukturierte Ansätze wie Systems Engi-    rings in Wissenschaft und Wirtschaft erhoben
    neering bewältigt werden. Kreative Entwick-      und im internationalen Vergleich analysiert.
    lungsmethoden, agile Prozesse und digitale       Die wichtigsten Erkenntnisse sowie der daraus
    Tools haben das Potential, Wertschöpfung auch    resultierende Handlungsbedarf werden nach-
    zukünftig zu sichern.                            folgend vorgestellt.

8   E X T EN D ED E X EC U T I V E S U M M A RY                                                      9
Advanced Systems Engineering - Wertschöpfung im Wandel
bestehenden Marktleistungen mit Schlüssel-        Engineering-IT-Infrastruktur als auch die Schnitt-   Systems Engineering
                                                   technologien wie Künstliche Intelligenz (KI),     stellen zwischen der Marktleistung im Betrieb        Komplexität managen
                                                   Robotik und Automatisierungstechnik aufzu-        und dem Unternehmen.
                                                   werten. Die zunehmende Vernetzung von inter-                                                             Verständnis von Systems Engineering:
                                                   agierenden, intelligenten technischen Syste-      Mehr denn je sind die Unternehmen gefordert,           Mächtiges Werkzeug, aber vage
                                                   men eröffnet faszinierende Perspektiven für       den Zielkonflikt zwischen einer Steigerung der         Vorstellungen.
                                                   die Wertschöpfung von morgen. Dazu müssen         kundenwahrnehmbaren Individualisierung der
                                                   die aktuellen Systeme mit Informations- und       Marktleistung und dem gleichzeitigen Kosten-         Der Begriff Systems Engineering (SE) ist bran-
                                                   Kommunikationstechnik (IKT) verzahnt sowie        druck auf globalen Märkten zu meistern. Es fehlt     chenübergreifend geläufig. Viele verbinden SE mit
                                                   für die Integration in einem Systemverbund        an Entwurfsmethoden für Produktarchitekturen,        Großprojekten der USA wie dem Apollo-Programm.
                                                   qualifiziert werden. Anwender, Nutzer und Kon-    Produktionssysteme und Wertschöpfungsnetz-           Das Verständnis ist sehr heterogen. Der Großteil
                                                   sumenten verlangen eine intelligente, anpas-      werke sowie für Geschäftsmodelle. Des Weiteren       der Befragten assoziiert mit Systems Engineering
                                                   sungsfähige Interaktion mit dem technischen       stehen die befragten Unternehmen weiterhin vor       die fachgebietsübergreifende Zusammenarbeit
                                                   System. Die menschzentrierte Gestaltung unter     der Herausforderung, kürzere Innovationszyklen       bei der Entwicklung von komplexen multidiszipli-
Advanced Systems                                   Berücksichtigung neuer Formen der Mensch-         bei gleichbleibend hoher Qualität zu realisieren.    nären Produkten. Ein Einsatz in späteren Phasen
Marktleistungen von morgen                         Maschine-Interaktion stellt neue Anforderun-      Dabei sind sie zusätzlich mit unterschiedlichen      der Entstehung wie der Produktionssystement-
                                                   gen an Entstehungsprozesse der zukünftigen        Lebenszyklen der Anwendungssoftware (z. B.           wicklung (Fertigungsplanung) sowie die integ-
     Megatrends im Engineering:                    Marktleistungen. Ferner wird datenbasierten       Apps), der eingebetteten Produktsoftware (z. B.      rative Betrachtung von Produkt, Produktions-
     Digitalisierung, Globalisierung               Produkt-Service-Systemen (PSS) eine zuneh-        Firmware) und der Hardware (z. B. mechanisches       system und Dienstleistung sind nicht etabliert.
     und Nachhaltigkeit                            mende Relevanz zugeschrieben. Kontinuierliche     Grundsystem) konfrontiert. Um den genannten
                                                   Softwareaktualisierung von PSS ermöglicht z. B.   Herausforderungen zu begegnen, sind neue               Mehrwert von Systems Engineering:
Diese haben sowohl einen starken Einfluss auf      eine Funktionserweiterung im Betrieb oder eine    Kompetenzen und entsprechende Aus- und                 Förderung eines gemeinsamen
die zukünftigen Marktleistungen als auch auf       kritische Sicherheitsaktualisierung. Die Unter-   Weiterbildungsmaßnahmen erforderlich.                  Systemverständnisses.
deren Entstehungsprozesse. Insbesondere            nehmen stoßen bei der Ausgestaltung der Ser-
die Ausprägungen dieser Megatrends wie die         vices jedoch auf erhebliche Herausforderungen     In Ergänzung zu den technischen Anforderun-          Durch Systems Engineering erhoffen sich die
Sharing Economy, Greentech, das Internet of        hinsichtlich der Bewertung des Kundennutzens      gen ergeben sich neue Anforderungen in Bezug         Unternehmen ein verbessertes Systemver-
Things, Künstliche Intelligenz und der Fokus auf   und der Rentabilität der Geschäftsmodelle.        auf die Erfüllung von regulatorischen Aspekten.      ständnis, um beispielsweise Inkonsistenzen
ein globales Wissensmanagement als Folge des                                                         Dabei werden Aspekte wie 1) Haftung und Ver-         und Fehler frühzeitig zu identifizieren, die Ent-
zunehmenden Fachkräftemangels werden die             Herausforderungen bei der Gestaltung            antwortlichkeiten bei autonomen Systemen,            wicklungsaktivitäten zu parallelisieren und inno-
künftige Gestaltung des Engineerings nachhal-        von Advanced Systems:                           2) Datenschutz und Datensicherheit sowie 3)          vativere Kundenlösungen zu gestalten. Weitere
tig prägen. Es eröffnen sich erhebliche Erfolgs-     Entwicklungskomplexität, Kostendruck            Homologation und Zulassung maßgeblich den            Nutzenpotentiale des Systems Engineerings
potentiale, deren Erschließung aber gute Ideen       und regulatorische Aspekte.                     Erfolg zukünftiger Marktleistungen beeinflussen.     werden insbesondere in der Rückverfolgbarkeit
und Umsetzungsstärke erfordern.                                                                      Neben der IT-Sicherheit stellt die Aktualisierung    der Zusammenhänge und Beziehungen zwi-
                                                   Mit der Komplexität der zukünftigen Marktleis-    der zukünftigen Systeme im Betrieb neue und          schen Artefakten des Entwicklungsprozesses
     Perspektiven für Advanced Systems:            tungen wird auch die Entwicklungskomplexität      umfangreichere Anforderungen an die Absiche-         (Traceability) und der Verbesserung der Trans-
     Autonomie, Vernetzung,                        steigen. Es besteht ein kontroverses Meinungs-    rung vernetzter Systemverbünde und System            parenz in der Produktentwicklung gesehen.
     Interaktion und Smarte Services.              bild, ob der Aufbau auf den bestehenden Vorge-    of Systems.                                          Es herrscht die Auffassung vor, dass Systems
                                                   hensmodellen des Engineerings den geforder-                                                            Engineering ein erforderlicher Ansatz zur Kom-
Die Autonomie von technischen Systemen             ten disruptiven Innovationen gerecht wird oder                                                         plexitätsbeherrschung von technischen und
entwickelt sich zu einem wichtigen Differen-       eine umfassende Neuausrichtung notwendig                                                               soziotechnischen Systemen und der verbun-
zierungsmerkmal am Markt. Insbesondere der         ist. Im Gegensatz dazu wird das durchgängige                                                           denen Prozesse ist und die Leistungsfähigkeit
Einsatz von autonomen Systemen in komplexen,       Schnittstellenmanagement gemeinschaftlich                                                              der Marktleistungsentstehung steigert.
hochdynamischen Umgebungen in nahezu allen         als zentrale Herausforderung wahrgenommen.
Lebensbereichen eröffnet neue Wachstums-           Die beschriebenen Schnittstellen betreffen
märkte. Um diese Potentiale auszuschöpfen,         sowohl die Prozess- und Organisationsstruk-
müssen Unternehmen befähigt werden, ihre           turen, die technischen Schnittstellen in der

10                                                                                                   E X T EN D ED E X EC U T I V E S U M M A RY                                                         11
Advanced Systems Engineering - Wertschöpfung im Wandel
Leistungsstand von Systems                  Einzelne Unternehmen haben Systems Engi-               Model-Based Systems Engineering:               Advanced Engineering
     Engineering in der Wirtschaft:              neering teilweise erfolgreich eingeführt. Dabei        Hohes Potential bei zahlreichen Hürden.        Engineering neu denken
     An der Schwelle zur Verbreitung.            hat sich insbesondere eine inkrementelle und
                                                 projektbezogene Einführung bewährt. Ferner          Die Beschreib- und Beherrschbarkeit der zuneh-      Digitale Durchgängigkeit und Produkt-
Trotz der hohen Erwartungshaltung und der        kann ein Einführungsvorhaben durch einen            menden Systemkomplexität sowie die Organi-          lebenszyklusmanagement (PLM):
zahlreichen Nutzenpotentiale ist der Leis-       simultanen Top-down- und Bottom-up-Ansatz           sation des entsprechenden, interdisziplinären       Nur Standards helfen weiter.
tungsstand abhängig von Unternehmensgröße        über alle Führungsebenen hinweg, eine externe       Entwicklungsprozesses auf Basis eines ganzheit-
und Branche sehr heterogen. In der Luft- und     Methodenunterstützung sowie begleitendes            lichen Systemmodells kommt durch den Begriff      Die Vision einer digitalen Durchgängigkeit
Raumfahrt sowie der Automobilindustrie ist       Veränderungsmanagement unterstützt werden.          Model-Based Systems Engineering (MBSE)            beschreibt einen ungehinderten Informations-
Systems Engineering wesentlich etablierter                                                           zum Ausdruck. Damit einher geht eine hohe         fluss zwischen allen Aktivitäten des Entwick-
als im Maschinenbau oder der Automatisie-          Rollen im Systems Engineering:                    Erwartungshaltung nach einem durchgängigen        lungsgeschehens durch die Vernetzung der
rungsbranche. In Großkonzernen wird Systems        Unklare Rollenbilder                              Entwicklungsgeschehen. MBSE wird aktuell          IT-Systeme in den Unternehmen und in Ent-
Engineering tendenziell eher genutzt als in        und Kompetenzprofile.                             primär nur für die formale Modellierung von       wicklungspartnerschaften. Als Vorteile dieser
kleinen und mittleren Unternehmen (KMU).                                                             Systemarchitekturen genutzt. Obwohl sich          Vernetzung werden Transparenz durch Rück-
Unabhängig von der Größe und der Branche         Ein klares Berufsbild eines Systems Engineers       die Systems Modeling Language (SysML) als         verfolgbarkeit, Effizienzgewinn durch Prozess-
fokussiert sich der Einsatz auf das Anforde-     hat sich in der Wirtschaft noch nicht etabliert.    De-facto-Standard etabliert hat, muss in der      automatisierung und Qualitätsverbesserung
rungsmanagement und den Systementwurf.           Vom Systems Engineer abgeleitete Rollen sind u.     Regel eine unternehmensspezifisch angepasste      durch Informationsverfügbarkeit erwartet.
                                                 a. Systemarchitekt und Verantwortlicher für Kun-    Modellierungsmethode eingeführt werden, um        Damit ergänzen die digitale Durchgängigkeit
     Einführung von Systems Engineering:         denanforderungen. Es herrscht kein eindeutiges      die systemischen Zusammenhänge vollständig        und Vernetzung die bestehenden Ansätze der
     Hürden durch inkrementelle Einführung       Meinungsbild über die Profile, die Aufgaben und     zu erfassen. Weitere Hürden bei der Einführung    virtuellen Produktentstehung und des Pro-
     überwinden.                                 die Verantwortlichkeiten der involvierten Rollen.   von MBSE in der heutigen Form sind die fehlen-    duktlebenszyklusmanagements (PLM) durch
                                                 Häufig wird von einem Systems Engineer eine         den Amortisationskonzepte für den erhöhten        eine umfassende Integration sämtlicher Infor-
Eine Vielzahl der befragten Unternehmen plant    ausgeprägte Methoden- und Sozialkompetenz           Modellierungsaufwand, die unzureichende           mationen der Marktleistungsentstehung und
oder führt Systems Engineering ein. Allerdings   erwartet, um die interdisziplinäre Zusammen-        Benutzungsfreundlichkeit der IT-Werkzeuge und     dessen Nutzung. Eine Vielzahl der befragten
fehlt es an Methoden für ein begleitendes Ver-   arbeit zwischen den Beteiligten zu gewährleisten.   die mangelhafte Integration in die bestehende     Unternehmen befindet sich in einem perma-
änderungsmanagement. Gleichzeitig stehen         In KMU decken sich diese Kompetenzen häufig         Engineering-IT-Infrastruktur.                     nenten Transformationsprozess, mit dem Ziel,
die Unternehmen vor der Herausforderung,         mit der Rolle eines technischen Projektleiters.                                                       einen hohen Vernetzungsgrad zu erreichen.
dass eine umfassende Qualifikation und Moti-     Es herrscht keine Einigkeit, ob diese Kompeten-                                                       Einer vollständigen Vernetzung wirken meh-
vation der Entwickler und über alle Führungs-    zen durch Lehre an den Hochschulen vermittelt                                                         rere Herausforderungen entgegen. So wird
ebenen erforderlich sind. Des Weiteren ent-      werden können oder auf Basis von Erfahrungen                                                          beispielsweise für die Gestaltung komplexer
stehen erhebliche Kosten, um die Methoden        in der Praxis erlangt werden müssen.                                                                  interdisziplinärer Systeme eine zunehmende
und Prozesse des Systems Engineerings an das                                                                                                           Anzahl an IT-Systemen eingesetzt. Dies resul-
Unternehmen und die Projektgegebenheiten                                                                                                               tiert in hohen Aufwänden bei der Administration
anzupassen. Wichtige Kenngrößen wie die                                                                                                                und Orchestrierung der Softwarewerkzeuge.
Amortisationsdauer über die Entwicklung meh-                                                                                                           Medienbrüche zwischen den IT-Systemen sind
rerer Systemgenerationen hinweg sowie der                                                                                                              mangels standardisierter Austauschformate an
nachhaltige Mehrwert einer SE-Einführung las-                                                                                                          der Tagesordnung. Ferner können die Unter-
sen sich bislang kaum fundiert quantifizieren.                                                                                                         nehmen nicht alle erforderlichen Programmier-
                                                                                                                                                       schnittstellen gestalten und pflegen. Diese
                                                                                                                                                       Herausforderungen verstärken sich bei unter-
                                                                                                                                                       nehmensübergreifenden Kooperationen und
                                                                                                                                                       gemeinschaftlich genutzten Informationen,
                                                                                                                                                       welche gewissen Sicherheitsstandards genü-
                                                                                                                                                       gen müssen. Neben den technischen Hürden
                                                                                                                                                       müssen unternehmensspezifische Vorgehens-
                                                                                                                                                       weisen der Produktentstehung 

12                                                                                                   E X T EN D ED E X EC U T I V E S U M M A RY                                                   13
und die Zusammenhänge innerhalb der IT-Inf-         Künstliche Intelligenz (KI) und                  Dokumentation des Vorgehens sowie eine              Positiv ist die sehr große Auswahl an Kreativi-
rastruktur berücksichtigt werden. Vor diesem        Assistenzsysteme: Mächtiges Werkzeug             erhöhte Verbindlichkeit für Arbeitsergebnisse.      tätstechniken, die sich in der Praxis bewährt
Hintergrund gilt es, zukünftig insbesondere die     zur Unterstützung des Menschen.                  Die Transparenz und das regelmäßige Feed-           haben, beispielsweise das Design Thinking und
Synergien zwischen PLM, virtueller Produktent-                                                       back sollen zu einer kontinuierlichen Verbes-       Kreativitätsworkshops wie Makeathons. Hier
stehung und MBSE zu nutzen.                       Die Schlüsseltechnologie Künstliche Intelligenz    serung führen. Zu guter Letzt soll das agile        zeichnet sich die Herausforderung ab, die für
                                                  eröffnet auch im Engineering neue Perspektiven.    Vorgehen die Unternehmen befähigen, flexibler       den spezifischen Einsatzfall bestgeeignete
     Digitale Zwillinge und Betriebs-             Assistenzsysteme werden schon von vielen           und schneller auf sich ändernde Kunden- oder        Technik auszuwählen.
     datennutzung im Engineering:                 Unternehmen erfolgreich eingesetzt. Damit          Marktanforderungen zu reagieren. Die damit
     Erfolgversprechende Technologien             einher geht die Erwartung, dass die offensicht-    verbundene Umstrukturierung der bestehenden           Produktgenerationsentwicklung (PGE):
     in den Kinderschuhen.                        lichen Erfolgspotentiale von KI in nächster Zeit   Arbeitsweise führt zu einer Vielzahl von Heraus-      Nachhaltige Effizienz
                                                  weiter erschlossen werden. Das gilt beispiels-     forderungen. Die bestehenden Vorgehensmo-             im Innovationsgeschehen.
Dem Konzept Digitaler Zwilling wird von vielen    weise für die Übernahme von sich wiederho-         delle und Werkzeuge stoßen an ihre Grenzen.
Befragten eine zentrale Bedeutung im Engi-        lenden Routineaufgaben, die Verarbeitung           Gleichzeitig fehlt es häufig an Akzeptanz über      Die zunehmende Anzahl von verschiedenen
neering beigemessen. Ergänzend zur digitalen      unstrukturierter Daten, das Lernen aus Erfah-      alle Unternehmensebenen hinweg und in unter-        Produktversionen und -generationen und deren
Durchgängigkeit liegt der Fokus auf der Vernet-   rungswissen und für die starke Verbesserung        nehmensübergreifenden Vorhaben. Es fehlt            Release kann durch einen systematisch-inte-
zung der spezifischen Daten und Modelle über      bestehender IT-Anwendungen. Bei der Erschlie-      auch an systematischen Vorgehensmodellen            grierten Planungs- und Entwicklungsprozess
den Lebenszyklus einer Marktleistung. Obwohl      ßung dieser Potentiale bestehen Herausforde-       für die Einführung der agilen Arbeitsweise in       beschrieben, strukturiert und gesteuert wer-
kein einheitliches Verständnis des Konzepts       rungen wie die Identifikation relevanter Anwen-    Unternehmen, die den Anforderungen an die           den. Dies bietet Vorteile hinsichtlich der Risi-
vorliegt, werden vielfältige Nutzenpotentiale     dungsfälle, die Bildung domänenspezifischer        Organisation (z. B. Skalierbarkeit über viele       kominimierung in den Entwicklungsaktivitäten,
insbesondere in der Betriebsdatennutzung          KI-Modelle sowie unzureichende Kompetenzen         Entwicklungsabteilungen) und an das Projekt-        Reduktion von Validierungsaufwänden sowie
und bei der Gestaltung von datenbasierten         in den Unternehmen. Des Weiteren besteht           umfeld (z. B. interdisziplinäre Produkte) gerecht   neue Möglichkeiten der Wettbewerbsdifferen-
Dienstleistungen oder Geschäftsmodellen           eine starke Unsicherheit bei dem Einsatz von       werden. Vor diesem Hintergrund gilt es, Syn-        zierung. Obwohl die Modelle und Potentiale der
erkannt. Für die Erschließung dieser Potentiale   nicht-deterministischen Lernalgorithmen, die       ergien mit dem Systems Engineering zu identi-       generationsübergreifenden Entwicklung in der
müssen zunächst die Anwendungsfälle identi-       im Konflikt zu sicherheitsrelevanten oder regu-    fizieren und zu nutzen.                             Wissenschaft konstituiert sind, haben sich die
fiziert, strukturiert und bewertet werden. In     latorischen Anforderungen entstehen können.                                                            Ansätze in der Praxis noch nicht umfassend
der praktischen Anwendung bestehen beson-         Vergleichbare Herausforderungen ergeben sich          Kreativitätsmanagement im Engineering:           etabliert. 
dere Herausforderungen bei der Modellbildung      in Bezug auf den Datenschutz und die Persön-          Unausgeschöpftes Potential
und deren Vernetzung über den gesamten            lichkeitsrechte bei Systemen, welche Daten der        von bewährten Methoden.
Lebenszyklus. Eine virtuelle Eigenschafts-        Mitarbeiter oder Nutzer verarbeiten.
absicherung auf Basis vernetzter Modelle ist                                                         Kreativität führt zu innovativen Marktleistungen.
derzeit nur sehr bedingt möglich. In der Ent-       Agilität im Engineering:                         Es kommt darauf an, das Kreativitätspotential
wicklung werden nach jetzigem Stand nur in          Umfassende Begeisterung trotz                    einer Organisation zu erkennen und syste-
Ausnahmefällen Betriebs- und Umfelddaten            mangelder Umsetzung.                             matisch auszuschöpfen. Obwohl die Unter-
genutzt, um dadurch die Marktleistungen von                                                          nehmen grundsätzlich diese Meinung teilen,
Generation zu Generation zu optimieren. Vor       Der Großteil der Unternehmen plant oder erprobt    ergibt sich im Hinblick auf den gezielten Einsatz
diesem Hintergrund kommt der technischen          aktuell den Einsatz agiler Vorgehensmodelle.       von Kreativitätsmethoden im Engineering ein
und wirtschaftlichen Umsetzung der Engi-          Die Einführung beschränkt sich in der Regel        uneinheitliches Stimmungsbild. Eine Vielzahl
neering-IT-Infrastruktur für Digitale Zwillinge   auf einzelne Teams, Abteilungen oder Projekte.     der Unternehmen verwendet kaum bzw. keine
eine sehr hohe Bedeutung zu. Dabei muss eine      Bei einer Vielzahl der Unternehmen wird das        Kreativitätstechniken. Trotz der erkannten
unternehmensübergreifende Nutzung und ins-        Scrum-Rahmenwerk adaptiert und genutzt. Mit        Relevanz von kreativem Freiraum sind die dafür
besondere die Interoperabilität von Digitalen     der Einführung von Agilität besteht die durch      erforderlichen Infrastrukturen oder Arbeitszeit-
Zwillingen sichergestellt werden.                 Erfahrungen gestützte Erwartungshaltung,           modelle noch nicht verbreitet. Um Kreativität in
                                                  dass die agile Arbeitsweise die Kommunika-         der Produktentstehung zu fördern, bedarf es
                                                  tion und die Kooperation im Engineering stark      eines Mentalitätswandels sowohl in den Füh-
                                                  fördert. Ferner erwarten die Unternehmen eine      rungspositionen als auch bei den Entwicklern.
                                                  verbesserte Transparenz in der Planung und         Dadurch kann die Akzeptanz gesteigert werden.

14                                                                                                   E X T EN D ED E X EC U T I V E S U M M A RY                                                      15
Auswirkungen von ASE auf                          und IT-Systeme für das unternehmensinterne          die Unternehmen notwendig. Eine besondere                  Bildungswege im Engineering:
die Organisation und den                          Wissensmanagement und die Kommunikation             Relevanz wird in diesem Zuge organisatorischen             Neue Impulse in Aus- und Weiterbildung.
Menschen im soziotechnischen                      müssen etabliert werden. Des Weiteren gilt          Schnittstellenfunktionen im Engineering und
                                                  es, Best Practices für Prozesse, Methoden,          unterstützende Stabsstellen wie einem Coach              In der Ausbildung von Ingenieuren sollte zuneh-
Gesamtsystem
                                                  IT-Werkzeuge und Informationsstandards zu           für das Management von Prozessen, Metho-                 mend ein umfangreiches Verständnis für die
                                                  identifizieren und zu kommunizieren, um von-        den und Werkzeugen zugeschrieben. Um dabei               Wichtigkeit von interdisziplinärer Zusammenar-
     Wandel der Organisationsstruktur             einander zu lernen und um global verteilte          eine Diskrepanz zwischen den definierten und             beit und Kommunikation etabliert werden. Dazu
     und -kultur: Aktive Gestaltung               Entwicklungsstandorte und unternehmens-             gelebten Rollen zu vermeiden, müssen die Per-            sollte die Lehre an den Hochschulen innerhalb
     mit dem Menschen im Mittelpunkt.             übergreifende Kollaboration innerhalb von Wert-     sonaleinsatzplanung, die Projektteam-Zusam-              einer etablierten Fachdisziplin kontinuierlich
                                                  schöpfungsnetzwerken zu ermöglichen.                mensetzungen und die Qualifizierungsplanung              durch neue Lehrformate wie z. B. fachgebiets-
Viele Unternehmen befinden sich in einer Phase                                                        im Entwicklungsgeschehen entsprechend ange-              übergreifende Projektarbeiten im Team mit
der Neuausrichtung der Organisationsstruktur        Kooperation von Wirtschaft und Wissen-            passt werden.                                           Problemstellungen aus der Wirtschaft weiter-
im Engineering, in deren Verlauf die Einführung     schaft: Einklang aus unternehmerischen,                                                                    entwickelt werden. Derartige Formate zielen
von flachen Organisationsstrukturen sowie           wissenschaftlichen und volkswirtschaft-              Erforderliche Kompetenzen: Zielkonflikt               darauf ab, Methodenkompetenz an konkreten
ein Wandel von funktionsorientierten zu pro-        lichen Zielen.                                       zwischen fundiertem Fachwissen                        Aufgabenstellungen einzusetzen und Sozial-
zessorientierten Arbeitsstrukturen angestrebt                                                            und ganzheitlichem Systemverständnis.                 kompetenzen zu trainieren. Gleichzeitig gilt es,
wird. Der Etablierung einer offenen Unter-        Die Befragten schätzen die Zusammenarbeit                                                                    mehr junge Menschen für Technikwissenschaf-
nehmens- und Fehlerkultur mit transparenter       zwischen Wirtschaft und Wissenschaft und            Mehr denn je kommt es auf den ausgewoge-                 ten zu begeistern, um einem sich abzeichnenden
Kommunikation wird dabei eine hohe Relevanz       erwarten eine zunehmende Relevanz der Kol-          nen Dreiklang von Fach-, Methoden- und Sozi-             Fachkräftemangel frühzeitig entgegenzuwirken.
zugewiesen. Des Weiteren rückt die Rolle der      laboration. Vor dem Hintergrund erfolgreicher       alkompetenz an. Darüber hinaus werden die                Hier ist nach neuen Wegen zu suchen, die zu
Unternehmenskultur als Grundlage für die För-     Beispiele für eine Zusammenarbeit besteht ver-      Akteure in zukünftigen Entstehungsprozessen              einer sichtbaren Attraktivität der Systemge-
derung von Kreativität und Zusammenarbeit in      einzelt auch die Forderung nach neuen Kollabo-      gefordert sein, den Zielkonflikt von tiefer tech-        staltung führen.
den Fokus. Es herrscht die Meinung vor, dass      rationsmodellen und multilateralen Austausch-       nischer Versiertheit in einer Disziplin und einem
der tiefgreifende Wandel im Engineering Hand      programmen. Bei der Zusammenarbeit muss der         ganzheitlichen Verständnis über das Gesamt-              Nicht alle erforderlichen Kompetenzen kön-
in Hand mit der Weiterentwicklung der Unter-      häufig auftretende Zielkonflikt zwischen dem        system zu meistern. Systemdenken wird eine               nen in der erforderlichen Reife ausschließlich
nehmenskultur gehen muss, die alle Führungs-      wirtschaftlichen Erfolg der Unternehmen und         herausragende Schlüsselkompetenz. Die Basis              durch das Studium vermittelt werden. Prakti-
ebenen erfasst und von den Führungspersön-        dem Erkenntnisgewinn der Forschung berück-          dafür ist ein gutes Verständnis über den jeweili-        sche Kenntnisse und Fähigkeiten müssen daher
lichkeiten vorgelebt wird. Die Führung muss       sichtigt werden. Diesem Zielkonflikt können z. B.   gen Anwendungskontext sowie die prinzipiellen,           durch Weiterbildungen im Beruf vermittelt und
sich bewusst sein, dass eine Veränderung der      Innovations-Ökosysteme gerecht werden, in           systemischen Lösungsansätze. Wenngleich die              erprobt werden. Die Weiterbildungsprogramme
Unternehmenskultur viel Zeit und ein hohes        welchen gemeinschaftlich und anwendungsnah          involvierten Fachdisziplinen im Prinzip gleich           müssen sowohl der Dynamik neuer Technologien
Maß an Beharrlichkeit erfordert.                  an Technologie- und Methodenentwicklung             relevant sind, spielt in Zeitalter der Digitalisierung   und Methoden gerecht werden als auch einen
                                                  gearbeitet wird.                                    die Informatikkompetenz eine besonders erfolgs-          nachhaltigen Transfer von Erfahrungswissen
     Kollaboration im Engineering:                                                                    kritische Rolle, insbesondere als integrierende          ermöglichen.
     Innovationskraft durch                         Rollen im Entstehungsprozess:                     Querschnittkompetenz. Zu guter Letzt nimmt die
     lernende Organisationen.                       Kontinuierliche Anpassung der Qualifika-          Bedeutung von Sozialkompetenz stark zu; dazu
                                                    tionen und der Teamzusammensetzung.               zählen insbesondere Kommunikationsfähigkeit
Erfolgreiche Wertschöpfung erfordert kolla-                                                           und Kooperationsvermögen. Trotz dieser Breite
boratives, gemeinschaftliches Arbeiten und        Zukünftig werden die Akteure im Entwicklungs-       von neuen, teils »weichen« Kompetenzen zählen
die unternehmensinterne und -übergreifende        geschehen in zunehmend wechselnden und              in Zuge der Konkretisierung eines komplexen
Zusammenführung von Kompetenzen und               teilweise vollkommen neuen Tätigkeitsbereichen      Systems fundierte Fachkompetenzen, sodass
Erfahrungswissen. Die Kollaboration bei der       eingesetzt. Dies fordert zum einen eine hohe        nicht der Trugschluss gezogen werden darf, dass
Entstehung von Advanced Systems bedarf einer      Flexibilität und Lernbereitschaft der Entwickler.   »weiche« Kompetenzen »harte« Kompetenzen
gemeinsamen, disziplinübergreifenden Entwick-     Zum anderen ist eine kontinuierliche Einführung     ablösen. Daher werden die Akteure im Entwick-
lungssprache sowie eines gemeinsamen Meta-        und Verstetigung der Weiterentwicklung von          lungsgeschehen mehr denn je gefordert sein, ihre
Modells für Produkte, Dienstleistungen und        neuen Rollenprofilen im Engineering und den         Stärken in fundiertem Fach- und Methodenwis-
Produktionssysteme. Entsprechende Methoden        damit verbundenen Verantwortlichkeiten durch        sen mit »weichen« Kompetenzen zu untermauern.

16                                                                                                    E X T EN D ED E X EC U T I V E S U M M A RY                                                           17
Engineering im internationalen                      Themengebiet Digitalisierung im Engineering.
Vergleich                                           Deutschland ist hinsichtlich der Quantität von
                                                    Veröffentlichungen in den Bereichen KI und
     Systems Engineering in Forschung und           Kreativität weit abgeschlagen, hat jedoch in
     Lehre im internationalen Vergleich:            den Bereichen PLM und Digitaler Zwilling eine
     Deutschland im Wettlauf mit USA und            führende Position.
     China.
                                                      Erste Ansätze Advanced Systems
Deutschland nimmt im europäischen Vergleich           Engineering im internationalen Vergleich:
eine Vorreiterposition im Systems Engineering         Der Wandel der Wertschöpfung kann
ein. Sowohl in der Lehre als auch in der For-         mit ASE wirkungsvoll begleitet werden.
schung gewinnt das Thema Systems Enginee-
ring weltweit zunehmend an Bedeutung. Die           Die Untersuchung zeigt eine besondere
Durchdringung des Themenfeldes Systems              Zunahme der Veröffentlichungen in den kombi-
Engineering ist zwar in den Lehrprogrammen          natorischen Betrachtungen der Themenfeldern
der neun technischen Universitäten (TU9) in         KI und SE sowie Agilität und SE. Das bestätigt die
Deutschland sehr heterogen, dennoch bereits         Auffassung, dass wir mit KI und Agilität die rich-
jetzt in den verschiedenen Fakultäten wieder-       tigen Akzente setzen und sich die entsprechen-
zufinden. International werden die meisten          den Nutzenpotentiale nur im Schulterschluss
Absolventen im Bereich Systems Engineering          mit ASE schnell genug erschließen lassen.
in den USA, China und Japan ausgebildet. Eine
Vergleichbarkeit der Bildungslandschaften ist
durch die vielfältigen Interpretationsmöglich-
keiten der Lehrinhalte nicht gegeben.

Mit einem jährlichen Anstieg der wissenschaft-
lichen Veröffentlichungen von 8 % gewinnt das
Systems Engineering zunehmend an Relevanz
in der deutschen Forschungslandschaft. Im
internationalen Vergleich weisen die USA und
China die sowohl höchste Anzahl als auch die
höchste Qualität von Publikationen, gemessen
an der Anzahl der Zitationen auf. Dabei verzeich-
net China mit etwa 30 % die höchste jährliche
Wachstumsrate.

     Advanced Engineering im internationalen
     Vergleich: Deutschland trotz Spitzenfor-
     schung weitläufig abgeschlagen.

Die Erhebung der Forschungskennzahlen im
Bereich des Advanced Engineerings unter-
streicht die Vormachtstellung der USA und
China. Die USA sind führend bei der Anzahl der
Veröffentlichungen in den Bereichen Kreativität
und Agilität im Engineering. China dominiert das

18                                                                                                       E X T EN D ED E X EC U T I V E S U M M A RY   19
1                   Einleitung

     Es zeichnet sich ein zunehmender Wandel der Marktleis-        insbesondere die Auswirkungen der zunehmenden
     tungen von den früheren, mechanischen Produkten über          Digitalisierung, Interdisziplinarität und Vernetzung zur
     mechatronische Lösungen hin zu intelligenten, cyber-          Beherrschung der technischen und organisatorischen
     physischen Systemen ab. Diese zukünftigen Advanced            Komplexität in der zukünftigen Wertschöpfung. Advanced
     Systems werden von einem hohen Grad an dynamischer            Systems Engineering integriert systemorientierte und
     Vernetzung, Autonomie und interaktiver, soziotechnischer      hochinnovative Ansätze des Engineerings und steht für
     Integration geprägt sein.                                     eine neue Perspektive in der Planung, der Entwicklung
                                                                   und dem Betrieb der technischen Systeme von morgen.
     Diese zukünftigen Systeme entstehen durch das enge
     Zusammenwirken von vielen Fachgebieten wie den Inge-          Im Rahmen der vorliegenden Veröffentlichung wird der
     nieurwissenschaften, den Naturwissenschaften, der Infor-      aktuelle Status quo des Engineerings in der Wirtschaft
     matik, Soziologie, Psychologie und Arbeitswissenschaft. Die   und Wissenschaft in Deutschland identifiziert und ana-
     zunehmende Einbindung und Vernetzung der Fachgebiete          lysiert. Dazu wurden sowohl die Trends im Engineering
     sowie die damit einhergehende, steigende Komplexität in       als auch die aktuellen Herausforderungen und mög-
     Projekten und Unternehmen erfordern ein ganzheitliches        lichen Lösungsansätze im Bereich Advanced Systems,
     und interdisziplinäres Systems Engineering.                   Systems Engineering und Advanced Engineering qualitativ
                                                                   untersucht. Diese qualitative Untersuchung erfolgte im
     Parallel zum Systems Engineering entwickeln sich konti-       Rahmen einer Interviewreihe mit über 100 Interviewteil-
     nuierlich neue technische und arbeitsorganisatorische         nehmern aus dem akademischen Umfeld und der indus-
     Trends im Engineering. Advanced Engineering berück-           triellen Praxis. Zur ganzheitlichen Einordnung wurden
     sichtigt die Prozesse, Methoden und Werkzeuge sowie           die Ergebnisse im Hinblick auf Auswirkungen auf die
     die Arbeitsorganisation, um die etablierten Engineering-      Organisation und den Menschen im soziotechnischen
     Ansätze mit Kreativität, Agilität und Digitalisierung neu     Gesamtsystem untersucht. Abschließend wurde anhand
     zu denken.                                                    einer quantitativen Kennzahlenerhebung in der For-
                                                                   schungslandschaft aufgezeigt, wie das Engineering in
     Advanced Systems Engineering (ASE) ist das Leitbild für die   Deutschland im internationalen Vergleich aufgestellt
     erfolgreiche Gestaltung von innovativen Produkten, Dienst-    ist. Die Ergebnisse sollen zum einen die Ableitung von
     leistungen und Produkt-Service-Systemen sowie deren           strategischen Handlungsempfehlungen für die Umset-
     Entstehungsprozess. Das Leitbild integriert die Ansätze       zung des Leitbilds Advanced Systems Engineering unter-
     des Systems Engineerings und des Advanced Engineerings        stützen. Zum anderen soll der Status quo eine fundierte
     für die erfolgreiche Gestaltung der Advanced Systems.         Grundlage und einen Orientierungsrahmen für weitere
     Dabei berücksichtigt Advanced Systems Engineering             Forschungsaktivitäten schaffen.

20   EI N L EI T U N G                                                                                                   21
Entstanden ist die Erhebung des Leistungsstands im            Kapitel 4 stellt die Befunde der durchgeführten
Rahmen der Begleitforschung zum Forschungsprogramm            qualitativen Erhebung dar, in welcher der Status
»Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit   quo des Engineerings in Deutschland anhand der
von morgen« zum Thema »Beherrschung der Komplexität           Handlungsfelder untersucht worden ist. Abschnitt
soziotechnischer Systeme – Ein Beitrag zum Advanced           4.1 beschreibt die Megatrends, welche fundamen-
Systems Engineering für die Wertschöpfung von morgen          talen und dauerhaften Einfluss auf unser Engi-
(PDA_ASE)« des Bundesministeriums für Bildung und             neering und unsere zukünftigen Marktleistungen
Forschung. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Leis-      haben. Die Abschnitte 4.2 bis 4.4 zeigen die Aus-
tungsstanderhebung liegt ausschließlich bei den Autoren.      wirkungen auf die drei Handlungsfelder Advanced
Ausschließlich aus Gründen der einfacheren Lesbarkeit         Systems (Abschnitt 4.2), Systems Engineering
wird in dem Leistungsstand die maskuline Form verwendet.      (Abschnitt 4.3) sowie Advanced Engineering
Wenn beispielweise von Ingenieuren gesprochen wird,           (Abschnitt 4.4) auf. Der letzte Abschnitt beschreibt
sind damit selbstredend auch Ingenieurinnen gemeint.          die Auswirkungen auf die Organisation und den
                                                              Menschen im soziotechnischen Gesamtsystem
An dieser Stelle möchten wir uns bei allen Partnern für       (Abschnitt 4.5).
Ihre Unterstützung bedanken. Unser Dank gilt dem Bun-
desministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für           Kapitel 5 umfasst die Erkenntnisse der quanti-
die Finanzierung und Förderung dieses Projekts. Des           tativen Untersuchung zum Status quo des Engi-
Weiteren danken wir dem Projektträger Karlsruhe (PTKA)        neerings im internationalen Vergleich. In den
für die professionelle und hilfreiche Unterstützung. Ein      Abschnitten 5.1 und 5.2 werden die Themenfelder
besonderer Dank richtet sich an die vielen Partner aus        Systems Engineering in der Forschung und Lehre
Wissenschaft und Wirtschaft, welche durch Ihre Bereit-        sowie Advanced Engineering in der Forschung
schaft die Erhebung erst ermöglicht haben und durch Ihre      sowohl national als auch international unter-
Offenheit die Sicherung der Innovationskraft deutscher        sucht. Abschließend erfolgt eine kombinatorische
Unternehmen unterstützen. Abschließend richtet sich           Betrachtung dieser beiden Themenfelder in Form
ein großer Dank an den projektbegleitenden Experten-          eines kurzen Einblicks in das Advanced Systems
kreis für viele wegweisende Anmerkungen, Anregungen           Engineering (Abschnitt 5.3).
und Diskussionen.
                                                              Kapitel 6 fasst die Inhalte des Status quo zusam-
                                                              men und leitet Schlussfolgerungen ab. Zudem wird
                                                              ein Ausblick auf zukünftige Handlungsbedarfe
       Strukturierung des Leistungsstands                     gegeben.

       Kapitel 2 gibt eine Einführung in den Wandel der       Der Anhang in Kapitel 7 umfasst ergänzende Infor-
       Wertschöpfung und gibt einen Überblick über            mationen zu dem begleitenden Forschungsprojekt
       die drei Handlungsfelder des Leitbilds Advanced        AdWiSE und den beteiligten Instituten.
       Systems Engineering. Die drei Handlungsfelder
       umfassen die Advanced Systems (AS) als zukünfti-
       ge Marktleistungen, das Systems Engineering (SE)
       und die innovativen Technologien und Methoden
       des Advanced Engineerings (AE).

       Kapitel 3 beschreibt die Zielsetzung der Erhebung
       des Status quo im Engineering. Die verschiedenen
       Voruntersuchungen zeigen dabei den Forschungs-
       bedarf auf.

22                                                                                                                   EI N L EI T U N G   23
2                   Advanced Systems Engineering
                         Eine neue Perspektive für
                         die Wertschöpfung von morgen

     2.1               Wandel der Wertschöpfung

     Megatrends wie Digitalisierung und Künstliche Intelligenz       Aktivitäten: die Planung, Entwicklung und Validierung des
     (KI) sowie der wachsende Druck einer neuen nachhalti-           Produkts; die Planung der Fertigung und die Beschaffung
     gen Gestaltung der technischen Produkte und Systeme             der Rohstoffe, Produktmaterialien und Komponenten; die
     werden die Wertschöpfung von morgen entscheidend                eigentliche Herstellung und Produktion; den Vertrieb und
     prägen [BUN16]. In der industriellen Produktion und Pro-        Absatz; den Kundenservice während der Nutzung; die
     duktentwicklung wird die Digitalisierung beispielsweise         Rücknahme, Entsorgung und das Recycling zum Ende
     durch das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 vorangetrieben.         des Lebenszyklus eines Produkts.
     Die technische Grundlage von Industrie 4.0 bilden intel-
     ligente und digital-vernetzte Produkte, Dienstleistungen               INFO 1   Verständnis »Engineering«
     und Produktionssysteme. Die flexiblen Kombinationen
     von Sach- und Dienstleistungen sowie ein hoher Grad an                Für den Begriff »Engineering« gibt es im Deutschen
     Autonomie und Vernetzung charakterisieren die Systeme                 keine eindeutige Entsprechung. Das Engineering
     von morgen. Die ganzheitliche Gestaltung der Entstehung               wird häufig mit der Produktentwicklung gleich-
     dieser technischen Systeme erfordert einen neuen Ansatz               gesetzt. Zutreffender wäre aber der Begriff der
     des zukünftigen Engineerings (VGL. INFOBOX 1). Für die Reali-         Produktentstehung, der zudem die strategische
     sierung ist es wichtig, den aktuellen Leistungsstand des              Produktplanung, die Produktionssystementwick-
     Engineerings aufzuzeigen und die sich abzeichnenden                   lung als auch die eigentliche Herstellung umfasst.
     Trends für die zukünftige Wertschöpfung zu analysieren.
                                                                           Das Engineering ist eine Tätigkeit, bei der das
     Traditionell verankert beschreibt die Wertschöpfung eine              wissenschaftliche und technische Verständnis
     unternehmerische Aktivität, die zu einem Wertzuwachs                  genutzt wird, um Dinge zu erfinden, Systeme zu
     führt [SCH13]. Die konventionelle, industrielle Wertschöp-            entwickeln und herzustellen sowie Probleme zu
     fungskette adressiert den gesamten Prozess von der                    lösen. Systeme umfassen technische Lösungen
     Ideengenerierung bis hin zur Lieferung eines Produkts. Die            wie Maschinen und Anlagen aber auch Gebäude,
     ökologische Verantwortung und die steigende Relevanz                  Infrastrukturen, Prozesse und Verfahren. Vor dem
     der Nachhaltigkeit setzen zusätzlich eine Betrachtung der             Hintergrund einer steigenden Verbreitung intelli-
     Rücknahme und Entsorgung im Rahmen des gesamten                       genter, vernetzter und hochintegrierter Produkt-
     Produktlebenszyklus voraus. Damit umfasst die Wert-                   Service-Systeme gewinnen das Software- und
     schöpfungskette industrieller Produkte die folgenden                  Service-Engineering zunehmend an Relevanz.

24   A DVA N C ED SYS T EM S EN G I N EER I N G                                                                             25
stiften. In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass die     Wirtschaftliche Erbringung: Entsprechend der Ent-
Marktleistungen
                                                                                                                            integrative Betrachtung von Produkt-Service-Systemen          stehung erfolgt die Erbringung der Marktleistungen
                                                                                                                            und der Digitalisierung der Marktleistungen zusätzlichen      zunehmend auf global verteilten und vernetzten Märkten.
                               Produkte          Produkt-Service-Systeme          Dienstleistungen
                                                                                                                            Kundennutzen generieren kann. Es entstehen derzeit            Dabei bietet der globale Vertrieb einerseits attraktives
                                                                                                                            vermehrt digitale Marktleistungen in Ergänzung oder           Potential, neue Märkte zu erschließen. Andererseits
                                                                                                                            gar in Substitution zu den bisherigen Marktleistungen,        stellen die länderspezifischen Normen, Regeln und
                                                                                                                            welche auf neuen, unternehmerischen Ansätzen und              Verordnungen zur Zulassung einer Marktleistung eine
                                                                                                                            Geschäftsmodellen basieren (z. B. die Plattformöko-           enorme Herausforderung in der Entstehung dar [SCH13;
                                                                                                                            nomie) [DFH+19]. In einer digitalen Ökonomie nimmt die        ROG03; AHW+18]. Gleichzeitig wandeln sich die Konsum-

                                                                                                                            Bedeutung von Daten, Algorithmen und virtuellenModellen       formen sowie das Verständnis von Besitz und Eigentum.
                                                                                                                            zu [PH14]. Daher Daher wird ein zunehmender Anteil der        Branchenübergreifend entstehen Plattformen, durch
                                                                                                                            zukünftigen Produkteigenschaften und Funktionalitäten         die verschiedene Anbieter und Wertschöpfungspartner
                                                                                                                            durch mechatronische Lösungen und Software realisiert         gemeinsame Eigentümer einer Marktleistung werden
                                                                                                                            oder zumindest ergänzt. Neben dem zunehmenden Soft-           können. Bei Sharing-Modellen erfolgt die vorüberge-
                                                                                                                            wareanteil erfordern Produkt-Service-Systeme eine inte-       hende Nutzung der Marktleistung ohne Eigentumserwerb,
                                                                                                                            grierte Planung, Entwicklung und Nutzung von Sach- und        wodurch sich die Nutzungsphasen bei einem einzelnen
                               Produktions-                                                                                 Dienstleistungsanteilen, einschließlich ihrer Produktion      Kunden verkürzen. Des Weiteren müssen Unternehmen
                            systementwicklung
                                                                                                                            und immanenten Softwarekomponenten. Die beschrie-             beachten, dass sich vernetzte Produkte auch noch nach
                                                                                                                            benen Entwicklungen stellen enorme Anforderungen an           dem Verkauf verändern und weiterentwickeln können.
                                                                                                                            den Entstehungsprozess zukünftiger Marktleistungen.           Es besteht die Notwendigkeit, die genannten Aspekte
                                                                     Vertrieb &         Betrieb &       Entsorgung &
  Ideen & Planung           Produktentwicklung   Produktion                             Nutzung           Ablösung                                                                        bei der Entstehung zu berücksichtigen, um sowohl den
                                                                     Einführung
                                                                                                                            Invention: Der zukünftige Wandel der Marktleistungen          digitalen als auch den physischen Lebenszyklus einer
                                                                                                                            erfordert eine kontinuierliche Umsetzung von neuen Ideen      Marktleistung zu gestalten.
Entstehung einer              Dienstleistungs-                Erbringung einer Marktleistung                                in Produkte, Dienstleistungen oder Produktionsprozesse.
Marktleistung                   entwicklung
                                                                                                                            Die erfolgreiche Umsetzung bedingt gleichzeitig techni-       Vor dem Hintergrund dieses Wandels müssen Unterneh-
                                                                                                                            sche oder organisatorische Neuheiten in den Aktivitäten       men befähigt werden, sowohl innovative Marktleistungen
Bild 1: Aspekte des Wandels der Wertschöpfung                                                                               der strategischen Planung, Produktentwicklung, Dienst-        als auch deren zukünftigen Entstehungsprozess wirt-
                                                                                                                            leistungsentwicklung und Produktionssystementwick-            schaftlich und effizient zu gestalten. Dabei werden die
Zukünftig findet die Wertschöpfung nicht mehr ausschließ-     Innovative Produkte, Dienstleistungen und Produkt-Ser-        lung [MS14]. Dabei ist der Entstehungsprozess von der Idee    zunehmende Vernetzung und die umfassende Digitalisie-
lich in überwiegend geschlossenen Wertschöpfungsketten        vice-Systeme sind dabei für den Unternehmenserfolg            für eine neue Marktleistung bis zu dessen Herstellung         rung in der Produktion bereits im Rahmen des Zukunfts-
statt, sondern basiert auch auf offenen, kollaborativen       der deutschen Industrie von entscheidender Bedeutung          durch eine zunehmende und standortübergreifende Ver-          projekts Industrie 4.0 beleuchtet. Mit Blick auf vorgela-
und dezentralen Wertschöpfungsnetzwerken. Digitale            und haben folglich einen herausragenden Stellenwert           netzung verschiedenster Akteure, Stakeholder, Abteilun-       gerten Aktivitäten der Entstehungsphase ergibt sich die
Technologien agieren als Treiber und Befähiger dieses         im Rahmen der Wertschöpfung von morgen. Die beson-            gen und Unternehmen geprägt. Die Marktleistungen von          grundlegende Fragestellung, wie ein neues Leitbild für die
Wandels [RMW18]. Der digitale Wandel der Wertschöpfung        dere Relevanz der Wertschöpfung durch Innovation wird         morgen werden mehr denn je auf das Zusammenwirken             Forschung, Entwicklung und Planung gestaltet werden
resultiert in neuen Formen von Partnerschaften, Organi-       durch die Innovationskennzahlen der deutschen Industrie       von unterschiedlichen Fachgebieten wie Ingenieurwissen-       muss, um Deutschlands Innovationsfähigkeit im globalen
sationen und Geschäftsmodellen,                               verdeutlicht [RBD+17; DBF+17] und durch Deutschlands Posi-    schaften, Informatik, Soziologie, Arbeits- und Wirtschafts-   Wettbewerb zu verstetigen. Als initialer Schritt bei der
                                                              tion als innovativstem Land im internationalen Vergleich      wissenschaften sowie Betriebswirtschaft beruhen. Neben        Ausgestaltung dieses Leitbilds werden der aktuelle Status
ʂ       einer zunehmenden Auflösung traditioneller            hervorgehoben. Der Innovationsbegriff wird im Folgenden       der steigenden Interdisziplinarität und Vernetzung werden     quo und die sich abzeichnenden Trends des Engineerings
        Branchengrenzen                                       durch die drei Aspekte Marktleistung, Invention in der Ent-   die einzelnen Aktivitäten der Marktleistungsentstehung        im Rahmen dieser Veröffentlichung untersucht. Die Unter-
ʂ       sowie innovativen Leistungsangeboten,                 stehung und deren wirtschaftliche Erbringung charakte-        zunehmend durch Informations- und Kommunikations-             suchung erfolgt anhand einzelner Handlungsfelder. Dazu
        welche sich nicht mehr eindeutig dem                  risiert [AHW+18], welche entsprechend der Wertschöpfung       technologien unterstützt. Vor diesem Hintergrund ist          wurde zunächst der Untersuchungsgegenstand Advan-
        produzierenden Gewerbe oder dem                       einem kontinuierlichen Wandel unterliegen (s. Bild 1):        eine neue Herangehensweise in der Marktleistungsent-          ced Systems Engineerings strukturiert (VGL.ABSCHNITT 2.2).
        Dienstleistungssektor zuordnen lassen.                                                                              stehung erforderlich, welche sowohl den zunehmenden           Diese Strukturierung führt die verschiedenen Aspekte
                                                              Marktleistung: Die zu erbringende Marktleistung sind Pro-     Einfluss der Digitalisierung als auch die wechselseitigen     des zukünftigen Engineerings in einer gemeinsamen
                                                              dukte (Sachleistungen) und Dienstleistungen, welche dem       Abhängigkeiten innerhalb der Aktivitäten und zwischen         Perspektive auf das Leitbild zusammen.
                                                              Anbieter, Kunden und Anwender einen validierten Nutzen        den Wertschöpfungspartnern berücksichtigt.

26                                                                                                                          A DVA N C ED SYS T EM S EN G I N EER I N G                                                                           27
erlebbar macht. Systems Engineering hat das Potential, die    machen Gebrauch von aktuellen Erkenntnissen in und zwi-
2.2               Die drei Handlungsfelder des                                                                                  Gestaltung der soziotechnischen Engineering-Systeme           schen den ingenieur- und wirtschaftswissenschaftlichen

                  Advanced Systems Engineerings                                                                                 von morgen auf eine neue Basis zu stellen [DEU18].            sowie informationstechnologischen Disziplinen. Diese
                                                                                                                                                                                              grundlegenden Veränderungen im Engineering werden
                                                                                                                                Systems Engineering erhebt somit den Anspruch, die            unter dem Begriff Advanced Engineering zusammenge-
                                                                                                                                Akteure in der Entwicklung komplexer Systeme zu koor-         fasst. Advanced Engineering berücksichtigt die Prozesse,
Der beschriebene Wandel der Wertschöpfung von mor-               Produkten, Dienstleistungen und Produktionssystemen            dinieren. Der durchgängige, ganzheitliche und fachge-         Methoden und Werkzeuge sowie die Arbeitsorganisation,
gen erfordert eine ganzheitliche Betrachtung mittels des         ermöglicht zukünftig neue Informationsflüsse zwischen          bietsübergreifende Ansatz adressiert dabei das zu entwi-      um die etablierten Engineering-Ansätze durch Kreativität,
neuen Leitbilds des Advanced Systems Engineerings                Anbieter und Kunden, um z. B. eine individualisierte Mas-      ckelnde, technische System und das dazugehörige Projekt.      Agilität und Digitalisierung zu erweitern.
(ASE), welches auf den drei Handlungsfeldern Advanced            senfertigung wirtschaftlich zu gestalten [PIL07].              Über die zentralen Aufgaben in der Marktleistungsent-
Systems, Systems Engineering und Advanced Engineering                                                                           stehung hinaus berücksichtigt Systems Engineering die         Das Engineering ist in weiten Zügen eine kreative Tätigkeit
aufbaut (VGL. BILD 2).                                           Dieser Wandel von traditionellen Sach- oder Dienstleistun-     wechselseitigen Abhängigkeiten dieser Tätigkeiten bis in      des Menschen, die nicht von regelbasierten IT-Werkzeugen
                                                                 gen zu Advanced Systems wird das zukünftige Verständnis        das sozioökonomische Umfeld einer gesamten Branche.           oder Maschinen geleistet werden kann. Die zukünftigen
                                                                 der Marktleistungen entscheidend prägen. Mit der skiz-         Um sicher das Entwicklungsziel zu erreichen, umfasst          Systeme erfordern neue Methoden, Modelle und Techniken
Advanced Systems                                                 zierten Entwicklung geht einher, dass sowohl die Systeme       die Projektgestaltung die Abstimmung der Aktivitäten          zur Förderung der Kreativität in interdisziplinären Teams,
Marktleistungen von morgen                                       als auch die Planungs- und Entwicklungsaktivitäten kom-        unter Berücksichtigung der gegebenen Restriktionen            um eine gemeinsame Sprache zu entwickeln, neue Lösun-
                                                                 plexer werden. Dies resultiert in dem dringenden Bedarf,       hinsichtlich Ressourcen, Zeit, Kosten und Qualität. Je        gen zu finden und Potential für Innovationen zu fördern.
Die Digitalisierung treibt seit Jahren die technologische Ent-   neue Ansätze für die Gestaltung der Marktleistungen und        höher die Anzahl der Stakeholder in der Entwicklung ist,      Dabei gilt es zu berücksichtigen, dass das Wissen der
wicklung in der industriellen Wertschöpfung voran. Es zeich-     dessen Entstehungsprozess zu erforschen [GDE+18; DEU18].       desto komplexer wird diese Aufgabe. Systems Engineering       Spezialisten aus den notwendigen Fachgebieten durch
net sich ein Wandel von den früheren Mechanik-zentrierten                                                                       fokussiert die Einbindung und Vernetzung weiterer Diszipli-   völlig neue Ansätze der Kommunikation und Interaktion
Systemen über mechatronische Systeme hin zu intelligen-                                                                         nen, wie z. B. Soziologie und Psychologie, sowie die damit    zusammengeführt werden muss.
ten, cyber-physischen Systemen ab. Diese zukünftigen             Systems Engineering                                            einhergehende, steigende Komplexität der Lösungen im
Systeme werden von einem hohen Grad an dynamischer               Komplexität managen                                            konkreten Entwicklungsprojekt und Unternehmen [GDS13].         Agile Prinzipien und Methoden werden zunehmend auch
Vernetzung, Autonomie und interaktiver, soziotechnischer                                                                                                                                       in Abteilungen und Teams außerhalb der IT und Software-
Integration geprägt sein. Hinzu kommen ein zunehmendes           Heutige und zukünftige Systeme entstehen durch das             Die Bedeutung der formalisierten Modellbildung im Systems      entwicklung implementiert. Die entsprechenden Vorge-
Angebot von internet- und plattformbasierten Diensten und        enge Zusammenwirken vieler Disziplinen wie Maschinen-          Engineering steigt kontinuierlich. Im Fokus des Bedarfs für    hensmodelle und Aufbauorganisationen können jedoch
die Verfügbarkeit von großen Datenmengen, aus denen              bau, Elektrotechnik und Informatik. Kein Fachgebiet kann       ein modellbasiertes Systems Engineering (MBSE) steht der       nicht ohne Anpassungen auf komplexe, mechatronische
sich erfolgversprechende Möglichkeiten für innovative            für sich in Anspruch nehmen, allen Anforderungen der           Gedanke, die Systeme mithilfe von Modellen zu beschrei-        Systeme übertragen werden. Durch den zunehmenden
und datengetriebene Dienstleistungen (Smart Services),           zukünftigen Marktleistungsentstehung gerecht zu werden.        ben, zu verstehen und zu planen. MBSE hat das Potential,       Anteil nicht-mechanischer Komponenten wie Software
Produkt-Service-Systeme und attraktive Geschäftsmodelle          Es ist eine neue Denk- und Handlungsweise erforderlich,        die Dokumenten-basierte Abbildung von Informationen            und Dienstleistungen wird jedoch eine ganzheitliche, agile
ergeben [GDE+18]. Einhergehend mit diesen Potentialen wird       welche die interdisziplinäre Arbeit am System in den Mittel-   über ein zu entwickelndes System sukzessive zu erset-         Transformation der Arbeitsweisen erforderlich, um z. B.
die Individualisierung der Systeme aus der Perspektive der       punkt stellt, die Interaktion mit den Stakeholdern fördert     zen und die zukünftige Praxis des Systems Engineerings         flexibel und proaktiv mit veränderlichen Anforderungen
Kunden und Anwender zunehmen. Die Vernetzung von                 und das in Entstehung befindliche System für die Anwender      maßgeblich zu beeinflussen [WRF+15]. Die Realisierung der      umgehen zu können. Neben den menschorientierten
                                                                                                                                MBSE-Idee im wirtschaftlichen Kontext steckt aber noch         Aspekten werden sich zukünftig ebenfalls der Umfang
                                                                                                                                in den Anfängen. Zur Erschließung dieser Potentiale sind       und die Ausgestaltung der Engineering-Prozesse und
                                                                                                                                umfangreiche Forschungsaktivitäten erforderlich.              -Organisation weiterhin stetig verändern.

                                         ASE                           ASE                              ASE                                                                                   Die strategische Planung und Entwicklung des Produkts,
                  Wertschöpfung

                                     Advanced Systems             Systems Engineering              Advanced Engineering         Advanced Engineering                                          der Dienstleistung und des Produktionssystems sind
     Megatrends

                   von morgen

                                  Marktleistungen von morgen      Komplexität managen              Engineering neu denken
                                                                                                                                Engineering neu denken                                        zunehmend vernetzt und müssen zukünftig mehr denn
                                                                                                                                                                                              je integrativ durch IT-Werkzeuge und die IT-Infrastruktur
                                                                                                                                Parallel zum Systems Engineering entwickeln sich kontinu-     unterstützt werden. Geeignete Virtualisierungen und
                                                                                                                                ierlich neue Ansätze im Engineering, welche die einzelnen     digitale Technologien bilden zukünftig die Basis für eine
                                                                                                                                Aspekte und Aktivitäten der Marktleistungsentstehung          eindeutige Beschreibung und ganzheitliche Vernetzung
                                                                                                                                maßgeblich beeinflussen. Diese Ansätze beruhen nicht          sämtlicher Entwicklungsobjekte und -aspekte sowie ein
Bild 2: Handlungsfelder des Advanced Systems Engineerings                                                                       ausschließlich auf Innovationen der IT-Werkzeuge, sondern     kollaboratives Engineering über global verteilte

28                                                                                                                              A DVA N C ED SYS T EM S EN G I N EER I N G                                                                            29
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