Systemtechnik

Systemtechnik ist ein interdisziplinäres Feld der Ingenieurwissenschaften und des Ingenieurmanagements , das sich mit der Entwicklung, Integration und dem Management komplexer Systeme über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg befasst . Im Kern nutzt die Systemtechnik Prinzipien des Systemdenkens, um das systemtechnische Wissen zu strukturieren . Das Ergebnis solcher Bemühungen, ein entwickeltes System , lässt sich als Kombination von Komponenten definieren, die synergistisch zusammenarbeiten , um gemeinsam eine nützliche Funktion zu erfüllen .

Bei großen oder komplexen Projekten werden Aspekte wie Anforderungsanalyse , Zuverlässigkeit , Logistik , Koordination verschiedener Teams, Test und Evaluierung, Wartbarkeit und viele weitere Disziplinen – sogenannte „Fähigkeiten“ – , die für erfolgreiches Systemdesign , Entwicklung, Implementierung und schließlich die Stilllegung notwendig sind , zunehmend schwieriger . Die Systemtechnik befasst sich mit Arbeitsprozessen, Optimierungsmethoden und Risikomanagement- Instrumenten in solchen Projekten. Sie überschneidet sich mit technischen und nutzerzentrierten Disziplinen wie Wirtschaftsingenieurwesen , Produktionssystemtechnik , Verfahrenstechnik, Maschinenbau , Fertigungstechnik , Produktionstechnik , Regelungstechnik , Softwareentwicklung , Elektrotechnik , Kybernetik , Luft- und Raumfahrttechnik , Organisationsforschung , Bauingenieurwesen und Projektmanagement . Die Systemtechnik stellt sicher , dass alle relevanten Aspekte eines Projekts oder Systems berücksichtigt und zu einem Ganzen integriert werden.

Der Systementwicklungsprozess ist ein Erkenntnisprozess, der sich deutlich von einem Fertigungsprozess unterscheidet . Ein Fertigungsprozess konzentriert sich auf sich wiederholende Tätigkeiten, die qualitativ hochwertige Ergebnisse mit minimalem Kosten- und Zeitaufwand erzielen. Der Systementwicklungsprozess hingegen beginnt mit der Ermittlung der tatsächlichen Probleme, die gelöst werden müssen, und der Identifizierung der wahrscheinlichsten oder folgenreichsten Fehler. Systementwicklung beinhaltet die Suche nach Lösungen für diese Probleme.

Der Begriff Systems Engineering lässt sich bis zu den Bell Telephone Laboratories in den 1940er Jahren zurückverfolgen . ^{[ 1 ]} Die Notwendigkeit, die Eigenschaften eines Systems als Ganzes zu identifizieren und zu beeinflussen, die sich in komplexen technischen Projekten stark von der Summe der Eigenschaften seiner Teile unterscheiden können, motivierte verschiedene Branchen, insbesondere solche, die Systeme für das US-Militär entwickelten, diese Disziplin anzuwenden. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Als die Verbesserung eines Systems durch evolutionäre Designprozesse nicht mehr möglich war und die bestehenden Werkzeuge den wachsenden Anforderungen nicht mehr genügten, wurden neue Methoden entwickelt, die die Komplexität direkt adressierten. ^{[ 4 ]} Die kontinuierliche Weiterentwicklung des Systems Engineering umfasst die Entwicklung und Identifizierung neuer Methoden und Modellierungstechniken. Diese Methoden tragen zu einem besseren Verständnis des Designs und der Entwicklungskontrolle von technischen Systemen bei, deren Komplexität zunimmt. Gängige Werkzeuge, die häufig im Kontext des Systems Engineering eingesetzt werden, wurden in dieser Zeit entwickelt, darunter die Universal Systems Language (USL), die Unified Modeling Language (UML), Quality Function Deployment (QFD) und Integration Definition (IDEF).

1990 wurde der National Council on Systems Engineering (NCOSE) , eine Fachgesellschaft für Systemtechnik, von Vertretern verschiedener US-amerikanischer Unternehmen und Organisationen gegründet. Ziel des NCOSE war es, die Praxis und Ausbildung im Bereich Systemtechnik zu verbessern. Aufgrund des zunehmenden Engagements von Systemingenieuren außerhalb der USA wurde die Organisation 1995 in International Council on Systems Engineering (INCOSE) umbenannt. ^{[ 5 ]} Hochschulen in mehreren Ländern bieten Masterstudiengänge in Systemtechnik an, und auch für praktizierende Ingenieure gibt es Weiterbildungsmöglichkeiten . ^{[ 6 ]}

Systemtechnik bezeichnet zunächst einen Ansatz und seit Kurzem auch eine eigenständige Disziplin innerhalb der Ingenieurwissenschaften. Ziel der Ausbildung in Systemtechnik ist es, verschiedene Ansätze zu formalisieren und dadurch neue Methoden und Forschungsmöglichkeiten zu identifizieren, ähnlich wie in anderen Bereichen der Ingenieurwissenschaften. Als Ansatz ist Systemtechnik ganzheitlich und interdisziplinär.

Der traditionelle Aufgabenbereich des Ingenieurwesens umfasst die Konzeption, den Entwurf, die Entwicklung, die Produktion und den Betrieb physikalischer Systeme. Systemtechnik, wie sie ursprünglich verstanden wurde, fällt in diesen Bereich. „Systemtechnik“ bezeichnet in diesem Sinne die Entwicklung von technischen Konzepten.

Der Begriff „Systemingenieur“ hat sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt und umfasst heute ein umfassenderes, ganzheitlicheres Verständnis von „Systemen“ und von Entwicklungsprozessen. Diese Entwicklung der Definition ist Gegenstand anhaltender Kontroversen ^{[ 13 ]} , und der Begriff wird weiterhin sowohl im engeren als auch im weiteren Sinne verwendet.

Die traditionelle Systemtechnik wurde als ein Zweig der Ingenieurwissenschaften im klassischen Sinne betrachtet, also ausschließlich angewendet auf physikalische Systeme wie Raumfahrzeuge und Flugzeuge. In jüngerer Zeit hat sich die Systemtechnik weiterentwickelt und eine breitere Bedeutung angenommen, insbesondere seitdem der Mensch als wesentlicher Bestandteil eines Systems betrachtet wird. Peter Checkland beispielsweise verdeutlicht die erweiterte Bedeutung der Systemtechnik, indem er feststellt, dass „Ingenieurwesen“ „in seinem allgemeinen Sinne verstanden werden kann; man kann ein Treffen oder eine politische Vereinbarung ‚konstruieren‘.“ ^{[ 14 ] : 10}

Im Einklang mit dem umfassenderen Konzept des Systems Engineering definiert der Systems Engineering Body of Knowledge (SEBoK) ^{[ 15 ] drei Arten des Systems Engineering:}

• Produkt-Systemtechnik (PSE) ist die traditionelle Systemtechnik, die sich auf die Entwicklung physischer Systeme konzentriert, die aus Hardware und Software bestehen.
• Enterprise Systems Engineering (ESE) bezieht sich auf die Sichtweise von Unternehmen, d. h. Organisationen oder Kombinationen von Organisationen, als Systeme.
• Service Systems Engineering (SSE) befasst sich mit der Entwicklung von Servicesystemen. Checkland definiert ein Servicesystem als ein System, das so konzipiert ist, dass es einem anderen System dient. ^{[ 14 ]} Die meisten zivilen Infrastruktursysteme sind Servicesysteme.

Systems Engineering konzentriert sich darauf, Kundenbedürfnisse und erforderliche Funktionalitäten frühzeitig im Entwicklungszyklus zu analysieren und zu ermitteln , die Anforderungen zu dokumentieren und anschließend die Designsynthese und Systemvalidierung unter Berücksichtigung des gesamten Problems, des Systemlebenszyklus , durchzuführen . Dies beinhaltet das umfassende Verständnis aller beteiligten Stakeholder . Oliver et al. argumentieren, dass sich der Systems-Engineering-Prozess wie folgt unterteilen lässt:

• Ein technischer Prozess im Bereich Systemtechnik
• Ein Systementwicklungsmanagementprozess

Im Modell von Oliver besteht das Ziel des Managementprozesses darin, den technischen Aufwand im Lebenszyklus zu organisieren, während der technische Prozess die Bewertung verfügbarer Informationen , die Definition von Effektivitätskennzahlen , die Erstellung eines Verhaltensmodells , die Erstellung eines Strukturmodells , die Durchführung einer Abwägungsanalyse und die Erstellung eines sequenziellen Entwicklungs- und Testplans umfasst . ^{[ 16 ]}

Je nach Anwendungsbereich werden zwar verschiedene Modelle in der Industrie eingesetzt, doch alle zielen darauf ab, die Beziehungen zwischen den oben genannten Phasen zu identifizieren und Feedback einzubeziehen. Beispiele für solche Modelle sind das Wasserfallmodell und das VEE-Modell (auch V-Modell genannt). ^{[ 17 ]}

Die Systementwicklung erfordert häufig Beiträge aus verschiedenen technischen Disziplinen. ^{[ 18 ]} Durch die ganzheitliche Betrachtung des Entwicklungsprozesses trägt das Systems Engineering dazu bei, alle technischen Beteiligten zu einem einheitlichen Team zusammenzuführen und einen strukturierten Entwicklungsprozess zu etablieren, der von der Konzeption über die Produktion und den Betrieb bis hin zur Stilllegung und Entsorgung reicht. Bei einer Beschaffung kombiniert die ganzheitliche, integrative Disziplin die Beiträge und gleicht Kosten, Zeitplan und Leistung gegeneinander aus, während gleichzeitig ein akzeptables Risikoniveau über den gesamten Lebenszyklus des Produkts hinweg gewährleistet wird. ^{[ 19 ]}

Diese Perspektive findet sich häufig auch in Ausbildungsprogrammen wieder, indem Systemtechnikkurse von Dozenten anderer Ingenieurfakultäten unterrichtet werden, was zur Schaffung eines interdisziplinären Umfelds beiträgt. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Mit der zunehmenden Komplexität von Systemen und Projekten entstand der Bedarf an Systemtechnik, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Komponentenreibung und somit die Zuverlässigkeit des Systems exponentiell anstieg. Komplexität umfasst in diesem Zusammenhang nicht nur technische Systeme, sondern auch die logische menschliche Datenorganisation. Gleichzeitig kann ein System durch eine Vergrößerung seiner Größe sowie durch eine Zunahme der Datenmenge, der Variablen oder der Anzahl der im Design berücksichtigten Felder komplexer werden. Die Internationale Raumstation ist ein Beispiel für ein solches System.

Die Entwicklung intelligenterer Steuerungsalgorithmen , das Design von Mikroprozessoren und die Analyse von Umweltsystemen fallen ebenfalls in den Bereich des Systems Engineering. Systems Engineering fördert den Einsatz von Werkzeugen und Methoden, um die Komplexität von Systemen besser zu verstehen und zu bewältigen. Einige Beispiele für diese Werkzeuge finden sich hier: ^{[ 22 ].}

• Systemarchitektur
• Systemmodell , Modellierung und Simulation
• Mathematische Optimierung
• Systemdynamik
• Systemanalyse
• Statistische Analyse
• Zuverlässigkeitstechnik
• Entscheidungsfindung

Ein interdisziplinärer Ansatz im Systemingenieurwesen ist naturgemäß komplex, da das Verhalten und die Wechselwirkungen der Systemkomponenten nicht immer unmittelbar definiert oder verstanden sind. Die Definition und Charakterisierung solcher Systeme und Subsysteme sowie ihrer Interaktionen ist eines der Ziele des Systemingenieurwesens. Dadurch wird die Lücke zwischen informellen Anforderungen von Nutzern, Bedienern und Marketingorganisationen und technischen Spezifikationen erfolgreich geschlossen.

^{[ 23 ]}

Die Prinzipien des Systems Engineering – Holismus, emergentes Verhalten, Systemgrenzen usw. – lassen sich auf jedes System anwenden, ob komplex oder nicht, sofern systemisches Denken auf allen Ebenen eingesetzt wird. ^{[ 24 ]} Neben der Verteidigungs- und Luftfahrtindustrie benötigen auch viele informations- und technologiebasierte Unternehmen, Softwareentwicklungsfirmen und Unternehmen der Elektronik- und Kommunikationsbranche Systemingenieure in ihren Teams. ^{[ 25 ]}

Eine Analyse des INCOSE Systems Engineering Center of Excellence (SECOE) zeigt, dass der optimale Aufwand für Systems Engineering etwa 15–20 % des gesamten Projektaufwands ausmacht. ^{[ 26 ]} Gleichzeitig belegen Studien, dass Systems Engineering unter anderem zu Kostensenkungen führt. ^{[ 26 ]} Bislang wurde jedoch keine umfassende quantitative Studie in größerem Umfang durchgeführt, die ein breites Branchenspektrum abdeckt. Derzeit laufen entsprechende Studien, um die Effektivität zu ermitteln und die Vorteile von Systems Engineering zu quantifizieren. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

Die Systemtechnik fördert den Einsatz von Modellierung und Simulation zur Validierung von Annahmen oder Theorien über Systeme und die Wechselwirkungen innerhalb dieser Systeme. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

Methoden zur Früherkennung potenzieller Fehler sind im Bereich der Sicherheitstechnik fester Bestandteil des Entwicklungsprozesses. Gleichzeitig können Entscheidungen zu Projektbeginn, deren Konsequenzen nicht vollständig absehbar sind, später im Lebenszyklus eines Systems enorme Auswirkungen haben. Es ist daher Aufgabe des modernen Systemingenieurs, diese Problematik zu analysieren und kritische Entscheidungen zu treffen. Keine Methode garantiert, dass heutige Entscheidungen noch gültig sind, wenn ein System Jahre oder Jahrzehnte nach seiner Konzeption in Betrieb geht. Es gibt jedoch Techniken, die den Systementwicklungsprozess unterstützen. Beispiele hierfür sind die Soft Systems Methodology, Jay Wright Forresters Systemdynamik - Methode und die Unified Modeling Language (UML) – allesamt aktuell erforscht, evaluiert und weiterentwickelt, um den Entscheidungsprozess im Ingenieurwesen zu unterstützen.

Die Ausbildung im Bereich Systemtechnik wird häufig als Erweiterung des regulären Ingenieurstudiums betrachtet ^{[ 31 ].} Dies spiegelt die Auffassung der Industrie wider, dass Ingenieurstudierende neben fundierten Kenntnissen in einer der traditionellen Ingenieurdisziplinen (z. B. Luft- und Raumfahrttechnik , Bauingenieurwesen , Elektrotechnik , Maschinenbau , Fertigungstechnik , Wirtschaftsingenieurwesen , Chemieingenieurwesen ) auch praktische Erfahrung benötigen, um als Systemingenieure erfolgreich zu sein. Bachelorstudiengänge mit expliziter Systemtechnik nehmen zwar zu, sind aber noch selten. Abschlüsse mit entsprechenden Inhalten werden meist als Bachelor of Science in Wirtschaftsingenieurwesen angeboten . Typischerweise werden Programme (entweder eigenständig oder in Kombination mit interdisziplinären Studien) ab dem Master-Niveau sowohl in akademischen als auch in berufsbezogenen Studiengängen angeboten und führen zum Master of Science (MSc ) bzw. Master of Engineering ( MEng) oder zum Doktortitel (Ph.D.) bzw. zum Doktortitel ( EngD) .

INCOSE führt in Zusammenarbeit mit dem Systems Engineering Research Center des Stevens Institute of Technology ein regelmäßig aktualisiertes Verzeichnis weltweiter akademischer Programme an entsprechend akkreditierten Institutionen. ^{[ 6 ]} Stand 2017 listet es über 140 Universitäten in Nordamerika mit mehr als 400 Bachelor- und Masterstudiengängen im Bereich Systems Engineering auf. Die breite institutionelle Anerkennung des Fachgebiets als eigenständige Teildisziplin ist relativ neu; die Ausgabe von 2009 derselben Publikation berichtete von lediglich 80 entsprechenden Hochschulen und 165 entsprechenden Programmen.

Die Ausbildung im Bereich Systemtechnik kann entweder systemzentriert oder domänenzentriert betrachtet werden :

• Systemzentrierte Studiengänge behandeln Systemtechnik als eigenständige Disziplin, und die meisten Kurse konzentrieren sich auf die Prinzipien und die Praxis der Systemtechnik.
• Domänenzentrierte Studiengänge bieten Systemtechnik als Option an, die mit einem anderen Hauptfach im Ingenieurwesen kombiniert werden kann.

Beide Ansätze zielen darauf ab, Systemingenieure auszubilden, die in der Lage sind, interdisziplinäre Projekte mit der für Kerningenieure erforderlichen Expertise zu leiten. ^{[ 32 ]}

Systementwicklungswerkzeuge sind Strategien , Verfahren und Techniken , die die Systementwicklung in einem Projekt oder Produkt unterstützen . Der Zweck dieser Werkzeuge reicht von Datenbankverwaltung, grafischer Navigation, Simulation und logischem Denken bis hin zur Dokumentenerstellung, neutralem Import/Export und vielem mehr. ^{[ 33 ]}

Im Bereich der Systemtechnik gibt es viele Definitionen für den Begriff „ System“ . Nachfolgend einige maßgebliche Definitionen:

• ANSI / EIA -632-1999: „Eine Zusammenstellung von Endprodukten und Hilfsprodukten zur Erreichung eines bestimmten Zwecks.“ ^{[ 34 ]}
• Grundlagen des DAU -System-Engineerings: „ein integriertes Gefüge aus Menschen, Produkten und Prozessen, das die Fähigkeit bietet, ein bestimmtes Bedürfnis oder Ziel zu befriedigen.“ ^{[ 35 ]}
• IEEE Std 1220-1998: „Eine Menge oder Anordnung von Elementen und Prozessen, die miteinander in Beziehung stehen und deren Verhalten die Kunden-/Betriebsanforderungen erfüllt und die Lebenszykluserhaltung der Produkte gewährleistet.“ ^{[ 36 ]}
• INCOSE Systems Engineering Handbook: „homogene Einheit, die in der realen Welt ein vordefiniertes Verhalten zeigt und aus heterogenen Teilen besteht, die dieses Verhalten nicht einzeln zeigen, sowie einer integrierten Konfiguration von Komponenten und/oder Subsystemen.“ ^{[ 37 ]}
• INCOSE: „Ein System ist ein Konstrukt oder eine Sammlung verschiedener Elemente, die gemeinsam Ergebnisse erzielen, die durch die einzelnen Elemente allein nicht erreichbar wären. Zu den Elementen oder Teilen gehören Personen, Hardware, Software, Einrichtungen, Richtlinien und Dokumente; also alles, was zur Erzielung von Ergebnissen auf Systemebene erforderlich ist. Zu den Ergebnissen gehören systembezogene Eigenschaften, Merkmale, Funktionen, Verhaltensweisen und Leistungen. Der Mehrwert, den das System als Ganzes über den von den einzelnen Teilen unabhängigen Beitrag hinaus generiert, entsteht primär durch die Beziehungen zwischen den Teilen; das heißt, durch ihre Vernetzung.“ ^{[ 38 ]}
• ISO/IEC 15288:2008: „Eine Kombination interagierender Elemente, die so organisiert sind, dass sie einen oder mehrere festgelegte Zwecke erreichen.“ ^{[ 39 ]}
• NASA Systems Engineering Handbook: „(1) Die Kombination von Elementen, die zusammenwirken, um die Fähigkeit zur Bedarfsdeckung zu erzeugen. Zu den Elementen gehören alle Hardware, Software, Ausrüstung, Einrichtungen, Personal, Prozesse und Verfahren, die für diesen Zweck erforderlich sind. (2) Das Endprodukt (das operative Funktionen ausführt) und die unterstützenden Produkte (die Lebenszyklus-Supportleistungen für die operativen Endprodukte erbringen), die ein System bilden.“ ^{[ 40 ]}

Systementwicklungsprozesse umfassen alle kreativen, manuellen und technischen Aktivitäten, die zur Definition des Produkts erforderlich sind und die durchgeführt werden müssen, um eine Systemdefinition in eine ausreichend detaillierte Systemdesignspezifikation für die Produktherstellung und -bereitstellung umzuwandeln. Die Entwicklung eines Systems lässt sich in vier Phasen unterteilen, die jeweils unterschiedlich definiert sind: ^{[ 41 ]}

• Aufgabenbeschreibung (informative Definition)
• Konzeptuelle Phase (kardinale Definition)
• Entwurfsphase (formative Definition)
• Implementierungsphase (Fertigungsdefinition)

Je nach Anwendungsgebiet werden Werkzeuge für verschiedene Phasen des Systementwicklungsprozesses eingesetzt: ^{[ 23 ].}

Modelle spielen in der Systemtechnik eine wichtige und vielfältige Rolle. Ein Modell kann auf verschiedene Weise definiert werden, unter anderem: ^{[ 42 ]}

• Eine Abstraktion der Realität, die dazu dient, spezifische Fragen über die reale Welt zu beantworten.
• Eine Nachahmung, ein Analogon oder eine Darstellung eines realen Prozesses oder einer realen Struktur; oder
• Ein konzeptionelles, mathematisches oder physikalisches Hilfsmittel zur Unterstützung des Entscheidungsträgers.

Zusammengenommen sind diese Definitionen so umfassend, dass sie sowohl physikalische Ingenieurmodelle zur Verifizierung eines Systementwurfs als auch schematische Modelle wie Funktionsablaufdiagramme und mathematische (d. h. quantitative) Modelle, die im Rahmen von Kosten-Nutzen-Analysen verwendet werden, umfassen. Dieser Abschnitt konzentriert sich auf Letzteres. ^{[ 42 ]}

Der Hauptgrund für die Verwendung mathematischer Modelle und Diagramme in Kosten-Nutzen-Analysen liegt in der Abschätzung von Systemeffektivität, Leistung, technischen Eigenschaften und Kosten anhand bekannter oder schätzbarer Größen. Typischerweise ist eine Reihe separater Modelle erforderlich, um alle diese Ergebnisvariablen zu erfassen. Kern jedes mathematischen Modells ist ein Satz aussagekräftiger quantitativer Beziehungen zwischen seinen Eingangs- und Ausgangsgrößen. Diese Beziehungen können so einfach sein wie die Addition von Einzelgrößen oder so komplex wie ein System von Differentialgleichungen, das die Flugbahn eines Raumfahrzeugs im Gravitationsfeld beschreibt . Idealerweise drücken die Beziehungen Kausalität und nicht nur Korrelation aus. ^{[ 42 ]} Entscheidend für erfolgreiche Systementwicklungsaktivitäten sind zudem die Methoden, mit denen diese Modelle effizient und effektiv verwaltet und zur Simulation der Systeme eingesetzt werden. Unterschiedliche Anwendungsbereiche stellen jedoch häufig wiederkehrende Probleme bei der Modellierung und Simulation für die Systementwicklung dar. Neue Entwicklungen zielen daher darauf ab, Methoden verschiedener wissenschaftlicher und ingenieurtechnischer Gemeinschaften unter dem Begriff „Modellierungs- und simulationsbasierte Systementwicklung“ zu verknüpfen. ^{[ 43 ]}

Zu Beginn, wenn die Hauptaufgabe eines Systemingenieurs darin besteht, ein komplexes Problem zu verstehen, werden grafische Darstellungen eines Systems verwendet, um dessen funktionale und Datenanforderungen zu kommunizieren. ^{[ 44 ]} Gängige grafische Darstellungen sind:

• Funktionsflussblockdiagramm (FFBD)
• Modellbasiertes Design
• Datenflussdiagramm (DFD)
• N2-Diagramm
• IDEF0-Diagramm
• Anwendungsfalldiagramm
• Sequenzdiagramm
• Blockdiagramm
• Signalflussdiagramm
• USL-Funktions- und Typenzuordnungen
• Frameworks für Unternehmensarchitektur

Eine grafische Darstellung verknüpft die verschiedenen Teilsysteme oder Systemkomponenten über Funktionen, Daten oder Schnittstellen. Je nach Branchenanforderungen werden die oben genannten Methoden eingesetzt. Beispielsweise kann das N2-Diagramm verwendet werden, wenn Schnittstellen zwischen Systemen wichtig sind. Die Erstellung von Struktur- und Verhaltensmodellen des Systems ist Teil der Entwurfsphase.

Sobald die Anforderungen verstanden sind, ist es Aufgabe des Systemingenieurs, diese zu präzisieren und gemeinsam mit anderen Ingenieuren die optimale Technologie für die jeweilige Aufgabe zu ermitteln. Ausgehend von einer Kosten-Nutzen-Analyse fördert das System-Engineering die Verwendung gewichteter Alternativen, um die beste Option zu bestimmen. Eine Entscheidungsmatrix oder die Pugh-Methode (eine weitere ist QFD) sind Möglichkeiten, diese Auswahl unter Berücksichtigung aller relevanten Kriterien zu treffen. Die Kosten-Nutzen-Analyse wiederum fließt in den Entwurf ein, was sich wiederum auf die grafischen Darstellungen des Systems auswirkt (ohne die Anforderungen zu verändern). Im System-Engineering-Prozess stellt diese Phase den iterativen Schritt dar, der so lange durchgeführt wird, bis eine realisierbare Lösung gefunden ist. Eine Entscheidungsmatrix wird häufig mithilfe von Techniken wie statistischer Analyse, Zuverlässigkeitsanalyse, Systemdynamik ( Regelung ) und Optimierungsverfahren erstellt.

Die Systems Modeling Language (SysML), eine Modellierungssprache für Anwendungen im Bereich Systems Engineering, unterstützt die Spezifikation, Analyse, den Entwurf, die Verifikation und Validierung einer breiten Palette komplexer Systeme. ^{[ 45 ]}

Lifecycle Modeling Language (LML) ist eine offene Standardmodellierungssprache für das System-Engineering, die den gesamten Lebenszyklus unterstützt: Konzeptphase, Nutzungsphase, Supportphase und Stilllegungsphase. ^{[ 46 ]}

Viele verwandte Bereiche können als eng mit dem Systems Engineering verknüpft betrachtet werden. Die folgenden Bereiche haben zur Entwicklung des Systems Engineering als eigenständige Disziplin beigetragen:

Kognitive Systemtechnik (CSE) ist ein spezifischer Ansatz zur Beschreibung und Analyse von Mensch-Maschine-Systemen oder soziotechnischen Systemen . ^{[ 47 ]} Die drei Hauptthemen der CSE sind der Umgang des Menschen mit Komplexität, die Art und Weise, wie Arbeit mithilfe von Artefakten verrichtet wird , und die Beschreibung von Mensch-Maschine-Systemen und soziotechnischen Systemen als gemeinsame kognitive Systeme. CSE hat sich seit ihren Anfängen als anerkannte wissenschaftliche Disziplin etabliert und wird mitunter auch als kognitive Technik bezeichnet . Insbesondere das Konzept des gemeinsamen kognitiven Systems (JCS) hat sich als Methode zur Beschreibung komplexer soziotechnischer Systeme mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad weit verbreitet. Die über 20-jährige Erfahrung mit CSE wurde umfassend dokumentiert. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

Wie die Systementwicklung ist auch das Konfigurationsmanagement in der Verteidigungs- und Luftfahrtindustrie eine umfassende Praxis auf Systemebene. Die Aufgabenbereiche ähneln denen der Systementwicklung: Während sich die Systementwicklung mit der Anforderungsentwicklung, der Zuordnung zu Entwicklungselementen und der Verifizierung befasst, umfasst das Konfigurationsmanagement die Erfassung von Anforderungen, die Rückverfolgbarkeit zum Entwicklungselement und die Prüfung des Entwicklungselements, um sicherzustellen, dass es die gewünschten Funktionalitäten und Ergebnisse erreicht hat, die von der Systementwicklung und/oder der Test- und Verifizierungstechnik durch objektive Tests erzielt und nachgewiesen wurden.

Die Regelungstechnik , insbesondere die Entwicklung und Implementierung von Regelsystemen , die in nahezu allen Branchen weit verbreitet sind, bildet ein umfangreiches Teilgebiet der Systemtechnik. Beispiele hierfür sind der Tempomat in einem Auto und das Lenksystem einer ballistischen Rakete. Die Regelungstechnik ist ein aktives Gebiet der angewandten Mathematik, das sich mit der Untersuchung von Lösungsräumen und der Entwicklung neuer Methoden zur Analyse des Regelungsprozesses befasst.

Die Wirtschaftsingenieurwissenschaft ist ein Teilgebiet des Ingenieurwesens , das sich mit der Entwicklung, Verbesserung, Implementierung und Bewertung integrierter Systeme aus Menschen, Finanzen, Wissen, Informationen, Ausrüstung, Energie, Material und Prozessen befasst. Sie nutzt die Prinzipien und Methoden der Ingenieuranalyse und -synthese sowie mathematische, physikalische und Sozialwissenschaften in Verbindung mit den Prinzipien und Methoden der Ingenieuranalyse und -konstruktion, um die Ergebnisse solcher Systeme zu spezifizieren, vorherzusagen und zu bewerten.

Die Produktionssystemtechnik (Production Systems Engineering, PSE) ist ein aufstrebender Zweig der Ingenieurwissenschaften, der darauf abzielt, grundlegende Prinzipien von Produktionssystemen aufzudecken und diese für Analyse, kontinuierliche Verbesserung und Konstruktion zu nutzen. ^{[ 50 ]}

Schnittstellendesign und -spezifikation gewährleisten die Verbindung und Interoperabilität der Systemkomponenten untereinander sowie gegebenenfalls mit externen Systemen. Dazu gehört auch die Erweiterbarkeit der Systemschnittstellen, einschließlich mechanischer, elektrischer und logischer Schnittstellen wie reservierter Leitungen, Steckplätze, Befehlscodes und Bits in Kommunikationsprotokollen. Die Mensch -Computer-Interaktion (HCI) bzw. Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) ist ein weiterer wichtiger Aspekt des Schnittstellendesigns und ein zentrales Element moderner Systemtechnik. Systemtechnische Prinzipien finden Anwendung bei der Entwicklung von Kommunikationsprotokollen für lokale und Weitverkehrsnetze .

Die Mechatronik ist, ähnlich wie die Systemtechnik, ein interdisziplinäres Ingenieurfeld, das dynamische Systemmodelle nutzt, um konkrete Konstrukte abzubilden. Insofern ist sie von der Systemtechnik kaum zu unterscheiden. Der entscheidende Unterschied liegt jedoch in der Fokussierung auf Details anstatt auf übergeordnete Verallgemeinerungen und Zusammenhänge. Daher unterscheiden sich beide Bereiche eher durch den Umfang ihrer Projekte als durch ihre methodische Vorgehensweise.

Operationsforschung unterstützt das Systems Engineering. Kurz gesagt, befasst sich die Operationsforschung mit der Optimierung eines Prozesses unter Berücksichtigung mehrerer Nebenbedingungen. ^{[ 51 ] [ 52 ]}

Performance Engineering ist die Disziplin, die sicherstellt, dass ein System während seiner gesamten Lebensdauer die Kundenerwartungen an die Leistung erfüllt. Leistung wird üblicherweise als die Geschwindigkeit definiert, mit der eine bestimmte Operation ausgeführt wird, oder als die Fähigkeit, eine bestimmte Anzahl solcher Operationen in einer Zeiteinheit auszuführen. Die Leistung kann beeinträchtigt werden, wenn die Ausführung von Operationen in der Warteschlange durch begrenzte Systemkapazität gedrosselt wird . Beispielsweise wird die Leistung eines paketvermittelten Netzwerks durch die End-to-End-Paketlaufzeitverzögerung oder die Anzahl der pro Stunde vermittelten Pakete charakterisiert. Der Entwurf von Hochleistungssystemen nutzt analytische oder Simulationsmodelle, während die Implementierung von Hochleistungssystemen umfassende Leistungstests erfordert. Performance Engineering stützt sich in seinen Werkzeugen und Prozessen maßgeblich auf Statistik , Warteschlangentheorie und Wahrscheinlichkeitstheorie .

Programmmanagement (oder Projektmanagement) weist viele Ähnlichkeiten mit Systems Engineering auf, hat aber im Gegensatz zu Systems Engineering einen breiteren ingenieurwissenschaftlichen Ursprung. Projektmanagement ist eng mit Programmmanagement und Systems Engineering verwandt. Beide nutzen die Terminplanung als Hilfsmittel zur Bewertung interdisziplinärer Aspekte im Managementprozess. Insbesondere die direkte Beziehung zwischen Ressourcen, Leistungsmerkmalen und Risiken zur Dauer einer Aufgabe oder die Abhängigkeiten zwischen Aufgaben und deren Auswirkungen über den gesamten Systemlebenszyklus hinweg sind zentrale Aspekte des Systems Engineering.

Proposal Engineering ist die Anwendung wissenschaftlicher und mathematischer Prinzipien zur Entwicklung, zum Aufbau und zum Betrieb eines kosteneffizienten Systems zur Angebotserstellung. Im Wesentlichen nutzt Proposal Engineering den „ Systementwicklungsprozess “, um ein kosteneffizientes Angebot zu erstellen und die Erfolgswahrscheinlichkeit zu erhöhen.

Zuverlässigkeitstechnik ist die Disziplin, die sicherstellt, dass ein System die Kundenerwartungen hinsichtlich Zuverlässigkeit über seine gesamte Lebensdauer erfüllt (d. h., dass es nicht häufiger ausfällt als erwartet). Neben der Vorhersage von Ausfällen geht es ebenso sehr um deren Vermeidung. Zuverlässigkeitstechnik findet auf alle Aspekte des Systems Anwendung. Sie ist eng mit Wartbarkeit , Verfügbarkeit ( manche bevorzugen die Begriffe Zuverlässigkeit oder RAMS ) und integrierter Logistikunterstützung verbunden . Zuverlässigkeitstechnik ist stets ein kritischer Bestandteil der Sicherheitstechnik, wie beispielsweise der Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) und der Gefahrenbaumanalyse , sowie der Sicherheitstechnik .

Risikomanagement , die Praxis der Bewertung und des Umgangs mit Risiken, ist ein interdisziplinärer Bestandteil des Systems Engineering. Bei Entwicklungs-, Beschaffungs- oder Betriebstätigkeiten erfordert die Berücksichtigung von Risiken bei Abwägungen von Kosten, Terminen und Leistungsmerkmalen ein iteratives, komplexes Konfigurationsmanagement mit Rückverfolgbarkeit und Bewertung bis hin zum Termin- und Anforderungsmanagement über verschiedene Domänen und den gesamten Systemlebenszyklus hinweg . Dies setzt den interdisziplinären technischen Ansatz des Systems Engineering voraus. Das Risikomanagement im Systems Engineering definiert, passt an, implementiert und überwacht einen strukturierten Prozess für das Risikomanagement, der in den Gesamtprozess integriert ist. ^{[ 53 ]}

Die Methoden der Sicherheitstechnik können von Ingenieuren ohne Spezialisierung bei der Entwicklung komplexer Systeme angewendet werden, um die Wahrscheinlichkeit sicherheitskritischer Ausfälle zu minimieren. Die Funktion „Systemsicherheitstechnik“ hilft, Sicherheitsrisiken in neuen Konstruktionen zu identifizieren und unterstützt Techniken zur Minderung der Auswirkungen potenziell gefährlicher Zustände, die sich nicht durch Konstruktionsmaßnahmen vermeiden lassen.

Sicherheitstechnik kann als interdisziplinäres Feld betrachtet werden, das die Fachgemeinschaft für Steuerungssystemdesign, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Systemtechnik integriert. Sie kann Teilbereiche wie die Authentifizierung von Systembenutzern, Systemzielen und anderen Elementen wie Personen, Objekten und Prozessen umfassen.

Die Softwareentwicklung hat von ihren Anfängen an die moderne Systementwicklungspraxis maßgeblich geprägt. Die Techniken zur Bewältigung der Komplexität großer, softwareintensiver Systeme hatten einen wesentlichen Einfluss auf die Gestaltung und Weiterentwicklung der Werkzeuge, Methoden und Prozesse der Systementwicklung.

• Madhavan, Guru (2024). Komplexe Probleme: Wie wir eine bessere Welt gestalten können . New York: W. W. Norton & Company. ISBN 978-0-393-65146-1
• Blockley, D. Godfrey, P. Doing it Differently: Systems for Rethinking Infrastructure, Second Edition , ICE Publications, London, 2017.
• Buede, DM, Miller, WD The Engineering Design of Systems: Models and Methods, Third Edition , John Wiley and Sons, 2016.
• Chestnut, H. , Systems Engineering Methods . Wiley, 1967.
• Gianni, D. et al. (Hrsg.), Handbuch für Modellierung und simulationsbasierte Systementwicklung , CRC Press, 2014 bei CRC
• Goode, HH , Robert E. Machol System Engineering: An Introduction to the Design of Large-scale Systems , McGraw-Hill, 1957.
• Grady, Jeffrey O. (1994). Systemintegration . Oxford: Elsevier Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-9135-4.
• Hitchins, D. (1997) World Class Systems Engineering at hitchins.net.
• Lienig, J., Bruemmer, H., Grundlagen des Entwurfs elektronischer Systeme , Springer, 2017 ISBN 978-3-319-55839-4Die
• Malakooti, ​​B. (2013). Operations and Production Systems with Multiple Objectives. John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-58537-5
• MITRE, Der MITRE-Leitfaden für Systemtechnik ( PDF )
• NASA (2007) Systems Engineering Handbook , NASA/SP-2007-6105 Rev1, Dezember 2007.
• NASA (2013) NASA-Systementwicklungsprozesse und -anforderungen (Archiviert am 27. Dezember 2016 im Internet Archive) NPR 7123.1B, April 2013 NASA-Verfahrensanforderungen
• Oliver, DW, et al. Engineering Complex Systems with Models and Objects. McGraw-Hill , 1997.
• Parnell, GS, Driscoll, PJ, Henderson, DL (Hrsg.), Entscheidungsfindung in der Systemtechnik und im Management , 2. Aufl., Hoboken, NJ: Wiley, 2011. Dies ist ein Lehrbuch für Studenten der Ingenieurwissenschaften im Grundstudium.
• Ramo, S. , St.Clair, RK Der Systemansatz: Neue Lösungen für komplexe Probleme durch die Kombination von Wissenschaft und praktischem gesundem Menschenverstand , Anaheim, CA: KNI, Inc, 1998.
• Sage, AP , Systems Engineering . Wiley IEEE, 1992. ISBN 0-471-53639-3Die
• Sage, AP , Olson, SR, Modellierung und Simulation in der Systemtechnik , 2001.
• SEBOK.org, Systems Engineering Body of Knowledge (SEBoK)
• Shermon, D. Systemkostenrechnung , Gower Publishing , 2009
• Shishko, R., et al. (2005) NASA Systems Engineering Handbook . NASA Center for AeroSpace Information, 2005.
• Stevens, R., et al. Systems Engineering: Coping with Complexity . Prentice Hall, 1998.
• US Air Force, SMC Systems Engineering Primer & Handbook , 2004
• US DoD Systems Management College (2001) Grundlagen der Systemtechnik . Defense Acquisition University Press, 2001
• Leitfaden des US-Verteidigungsministeriums zur Integration von Systemtechnik in Beschaffungsverträge des Verteidigungsministeriums (Archiviert am 29. August 2017 in der Wayback Machine , 2006)
• US DoD MIL-STD-499 System Engineering Management

• ICSEng-Homepage
• INCOSE-Homepage
• INCOSE UK Homepage
• PPI SE Goldmine Homepage
• Wissensbestand der Systemtechnik
• Werkzeuge für die Systementwicklung
• AcqNotes DoD Systems Engineering Overview
• NDIA-Abteilung für Systemtechnik