Advanced Systems Engineering - Wertschöpfung im Wandel
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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. 1
Advanced Systems Engineering
Wertschöpfung im Wandel
Engineering in Deutschland –
Status quo in Wirtschaft und Wissenschaft
2 
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
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
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
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
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
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 13und 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 mangelnder 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 15Auswirkungen 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 Kollaborationen innerhalb von sonaleinsatzplanung, die Projektteam-Zusam- einer etablierten Fachdisziplin kontinuierlich
Wertschöpfungsnetzwerken 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 im 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 17Engineering 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 191 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 21Entstanden 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 232 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 25stiften. 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 ver- Dabei bietet der globale Vertrieb einerseits attraktives
mehrt digitale Marktleistungen in Ergänzung oder gar in Potential, neue Märkte zu erschließen. Andererseits
Substitution zu den bisherigen Marktleistungen, welche stellen die länderspezifischen Normen, Regeln und
auf neuen, unternehmerischen Ansätzen und Geschäfts- Verordnungen zur Zulassung einer Marktleistung eine
modellen basieren (z. B. die Plattformökonomie) [DFH+19]. In enorme Herausforderung in der Entstehung dar [SCH13;
einer digitalen Ökonomie nimmt die Bedeutung von Daten, ROG03; AHW+18]. Gleichzeitig wandeln sich die Konsum-
Algorithmen und virtuellenModellen zu [PH14]. Daher wird ein formen sowie das Verständnis von Besitz und Eigentum.
zunehmender Anteil der zukünftigen Produkteigenschaf- Branchenübergreifend entstehen Plattformen, durch
ten und Funktionalitäten durch mechatronische Lösungen die verschiedene Anbieter und Wertschöpfungspartner
und Software realisiert oder zumindest ergänzt. Neben gemeinsame Eigentümer einer Marktleistung werden
dem zunehmenden Softwareanteil erfordern Produkt- können. Bei Sharing-Modellen erfolgt die vorüberge-
Service-Systeme eine integrierte Planung, Entwicklung hende Nutzung der Marktleistung ohne Eigentumserwerb,
und Nutzung von Sach- und Dienstleistungsanteilen, wodurch sich die Nutzungsphasen bei einem einzelnen
Produktions- einschließlich ihrer Produktion und immanenten Soft- Kunden verkürzen. Des Weiteren müssen Unternehmen
systementwicklung
warekomponenten. Die beschriebenen Entwicklungen beachten, dass sich vernetzte Produkte auch noch nach
stellen enorme Anforderungen an den Entstehungspro- dem Verkauf verändern und weiterentwickeln können.
zess 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 27erlebbar 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 sukzessiv 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
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