Definitionen Systems Engineering sS2006 Prof Dr -Ing. E. Igenbergs Bearbeitung Name Stand Markus brandstatter 09.06.2006 Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs
Definitionen Seite 1 Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs Systems Engineering SS2006 Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs Bearbeitung Name Stand Markus Brandstätter 09.06.2006
Definitionen Seite 2 Einleitung Was sind,, Axiome eigentlich Behauptungen Wenn es gelingt, aus einer beschrankten Anzahl solcher, Axiome einen in sich abgeschlosse nen Bereich des Denkens zu schaffen( wird in der Philosophie und in etwas erzwungene Form auch in der Informatik als Onthologie- die Lehre des, Seins" bezeichnet) Dann kann man in diesem Bereich im Rahmen der axiome spazieren denken Ein beispiel hierfur ist die analytische mathematik: basiert auf folgenden 5 Axiomen Additionstheorem Subtraktionstheorem Multiplikationstheorem Divisionstheorem Null-Theorem und bildet die zur Zeit einzige weltweit gebrauchliche formallogische(als auf eine begrenzte Anzahl von Axiomen zuruckfuhrbare) Sprache fur eine reproduzierbare Kommunikation Diese stellt den abgeschlossenen bereich dar Der zweite, parabolisch sich nach links offnende Bereich stellt die allgemeine Kommunikation zwischen Menschen dar. Diese ist, wie auch Wittgenstein, der Schopfer der ,, Analytischen Philosophie" erfahren musste, ungenau, und lasst sich deshalb nicht fur die Schaffung einer Onthologie benutzen. Denn zunachst meinte Wittgenstein, dass Philosophie nur das sie, was in einer Art Onthologie abgebildet werden kann (Tractatus- Philosophie in Tabellenform mit Baumstrukturen) Die Umgangssprache schafft Neues, Geahntes bis zu den 4 ersten Definitionen des Systems auf dem schon beschriebenen Weg muster -Struktur -Architektur -Konfiguration Sobald die abgeleitete Parameter gebildet werden, und die attribute mathematisch formuliert werden befindet man sich im Schnittstellenbereich mit der Mathematik. Hier findet die beim Systems Engineering beobachtete Wechselwirkung mit der Mathematik, insbesondere mit der, Ange wandten Mathematik also schlieBlich mit Operations Research" statt Gelegentlich erinnert dieser Ubergang an die-jedenfalls von mir- nicht sonderlich geliebten Textaufgaben der Schulzeit Systems Engineering ersetzt also nicht die Mathematik, sondern setzt diese als Werkzeug fur die reproduzierbare Kommunikation ein. Der Ingenieur sollte also Sein Werkzeug gut beherrschen Uber den"Tellerrand hinausschauen und Gelegentlich sich etwas Neues einfallen lassen Hierbei kann Systems Engineering nutzer Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs
Definitionen Seite 2 Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs Einleitung Was sind „Axiome“: eigentlich Behauptungen. Wenn es gelingt, aus einer beschränkten Anzahl solcher „Axiome“ einen in sich abgeschlossenen Bereich des Denkens zu schaffen(wird in der Philosophie und in etwas erzwungener Form auch in der Informatik als Onthologie- die Lehre des „Seins“ bezeichnet). Dann kann man in diesem Bereich im Rahmen der Axiome „spazieren denken“. Ein Beispiel hierfür ist die analytische Mathematik: Basiert auf folgenden 5 Axiomen - Additionstheorem - Subtraktionstheorem - Multiplikationstheorem - Divisionstheorem - Null-Theorem und bildet die zur Zeit einzige weltweit gebräuchliche formallogische(als auf eine begrenzte Anzahl von Axiomen zurückführbare) Sprache für eine reproduzierbare Kommunikation. Diese stellt den abgeschlossenen Bereich dar. Der zweite, parabolisch sich nach links öffnende Bereich stellt die allgemeine Kommunikation zwischen Menschen dar. Diese ist, wie auch Wittgenstein, der Schöpfer der „Analytischen Philosophie“ erfahren musste, ungenau, und lässt sich deshalb nicht für die Schaffung einer Onthologie benutzen. Denn zunächst meinte Wittgenstein, dass Philosophie nur das sie, was in einer Art Onthologie abgebildet werden kann. (Tractatus - Philosophie in Tabellenform mit Baumstrukturen). Die Umgangssprache schafft Neues, Geahntes bis zu den 4 ersten Definitionen des Systems, auf dem schon beschriebenen Weg Muster-Struktur-Architektur-Konfiguration. Sobald die - abgeleitete Parameter gebildet werden, und - die Attribute mathematisch formuliert werden befindet man sich im Schnittstellenbereich mit der Mathematik. Hier findet die beim Systems Engineering beobachtete Wechselwirkung mit der Mathematik, insbesondere mit der „Angewandten Mathematik“ also schließlich mit „Operations Research“ statt. Gelegentlich erinnert dieser Übergang an die- jedenfalls von mir – nicht sonderlich geliebten Textaufgaben der Schulzeit. Systems Engineering ersetzt also nicht die Mathematik, sondern setzt diese als Werkzeug für die reproduzierbare Kommunikation ein. Der Ingenieur sollte also - Sein Werkzeug gut beherrschen - Über den “Tellerrand“ hinausschauen und - Gelegentlich sich etwas Neues einfallen lassen. Hierbei kann Systems Engineering nutzen
Definitionen Seite 3 Teil l: Grundlagen 1 Definitionen Die Systemtechnik ist der formalisierbare teil der Ingenieurkunst Unter anderem wird gesagt, ein System sei ein beliebiger gegenstand des denkens dieser sei abgrenzbar das abgegrenzte sei die Umgebung das System hat gegenuber der Umgebung Eigenschaften ein System habe eine Funktion kone aus Subsystemen bestehen zwischen denen relationen bestehen Eine mogliche und ubliche Art der Systemdefinition 1. Ein System besteht aus Elementen 2. Die elemente haben attribute 3. Elemente stehen miteinander in Wechselwirkung 4. Ein element kann ein System sein Element 1 Element 2 Element 3 Bild 1.1: Ein System besteht aus Elementen Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs
Definitionen Seite 3 Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs Teil I: Grundlagen 1 Definitionen "Die Systemtechnik ist der formalisierbare Teil der Ingenieurkunst." Unter anderem wird gesagt, ein System sei: - ein beliebiger Gegenstand des Denkens - dieser sei abgrenzbar - das Abgegrenzte sei die Umgebung - das System hat gegenüber der Umgebung Eigenschaften - ein System habe eine Funktion - könne aus Subsystemen bestehen - zwischen denen Relationen bestehen Eine mögliche und übliche Art der Systemdefinition: 1. Ein System besteht aus Elementen. 2. Die Elemente haben Attribute. 3. Elemente stehen miteinander in Wechselwirkung. 4. Ein Element kann ein System sein. Element 1 Element 2 Element 3 Bild 1.1: Ein System besteht aus Elementen
Definitionen Historische bemerkuns Mensch kommuniziert modellbasiert Ziel 1 Ziel 2 Ziel 21. Der Kommunikationsform Ziel 2.2. Der Informationsinhalte einsames modell 7 Genormte Sprache Zusammen: Nicht fachgebunden im Modell und Sprache Technik Kunst Medizin Geist Technik Wirtschaft Recht Natur Gut genormte Systemtheorie → System als modell → System als sprache Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs
Definitionen Seite 4 Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs Historische Bemerkung: „Mensch kommuniziert Modellbasiert“ Ziel 1. Kommunikation Ziel 2. Reproduzierbarkeit Ziel 2.1. Der Kommunikationsform Ziel 2.2. Der Informationsinhalte Gemeinsames Modell Genormte Sprache Zusammen: Nicht fachgebunden im Modell und Sprache Technik: Gut genormte : Systemtheorie System als Modell System als Sprache
Das Systemmodell 2 Das systemmodell E t 1 ATTRIBUTE. Element 3 ATTRIBUTE. Nutzlast Element 2 Treibstoff System Rakete Bild 2.2: Ein Element hat Attribute: Eigenschaften und Funktionen InIx Element 1 oulpul In put Element 3 ATTRIBJTE 手路 Element 2 A TRlELJTE grasserie Sys. rm Krall∠s Bild 2.3: Elemente und Systeme haben Inputs und Outputs Diese ergeben die relationen Element 1 Element 3 A TRIEUITE Element 2 A TRlELJTE 5o'18le1 Bild 2.4: Ein element kann auch ein System sein Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs
Das Systemmodell Seite 5 Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs 2 Das Systemmodell Element 1 Element 2 Element 3 System Rakete ATTRIBUTE: Eigenschaften Funktionen ATTRIBUTE: Eigenschaften Funktionen ATTRIBUTE: Eigenschaften Funktionen Struktur Nutzlast Treibstoff Bild 2.2: Ein Element hat Attribute: Eigenschaften und Funktionen Bild 2.3: Elemente und Systeme haben Inputs und Outputs Diese ergeben die Relationen. Bild 2.4: Ein Element kann auch ein System sein
Das Systemmodell Seite 6 Technische Systeme konnen prinzipiell beliebig eingeteilt werden. Eine sinnvolle Aufteilung aus der sicht des problemlosungsprozesses lautet: Zielsysteme: Zielvorgaben hinsichtlich der zu erreichenden Ergebnisse sowie Randbedingungen; konnen verwendet werden fur Bewertung, Au rahl und Entscheidung, z. B. Lastenhefte, Anforderungskataloge Obiektsyster beliebige hervorzubringende Systeme(Produkt, Leistung,.) darge stellt mit Parametern, Funktionen und Strukturen(Relationen): z B Flugzeug, Automobil, Waschmaschine, Software, neue Organisation Prozesssystem Tatigkeiten, deren Durchfuhrung zur Erstellung und/oder zum Betrieb eines(Objekt-)Systems notwendig ist, Verknupfung der Vorgange Prozesse und Ereignisse uber Relationen(ZB. Informationsflusse); Z B. Prozessplane, Vorgangsnetze, Netzplane Handlungssysteme: bringen Systeme hervor, betreiben Systeme, haben Funktionen und Strukturen (Aufbauorganisation), beschreiben Ressourcen (per- sonell/sachlich); z B. Unternehmen, Universitaten, Mannschaften ZOPH-Method Supplers, Market Suppers, Market Handlungssystem Objektsyst Zielsystem (goal system) Four system ty pes Objektsy stem(product system) ( plus envir。 nment) ProzeBsystem (process system) Handlungssystem(agent system) Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs
Das Systemmodell Seite 6 Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs Technische Systeme können prinzipiell beliebig eingeteilt werden. Eine sinnvolle Aufteilung aus der Sicht des Problemlösungsprozesses lautet: Zielsysteme: Zielvorgaben hinsichtlich der zu erreichenden Ergebnisse sowie Randbedingungen; können verwendet werden für Bewertung, Auswahl und Entscheidung; z. B. Lastenhefte, Anforderungskataloge, Kundenwünsche Objektsysteme: beliebige hervorzubringende Systeme (Produkt, Leistung,...), dargestellt mit Parametern, Funktionen und Strukturen (Relationen); z. B. Flugzeug, Automobil, Waschmaschine, Software, neue Organisation Prozesssysteme: Tätigkeiten, deren Durchführung zur Erstellung und/oder zum Betrieb eines (Objekt-) Systems notwendig ist, Verknüpfung der Vorgänge, Prozesse und Ereignisse über Relationen (z.B. Informationsflüsse); z.B. Prozesspläne, Vorgangsnetze, Netzpläne Handlungssysteme: bringen Systeme hervor, betreiben Systeme; haben Funktionen und Strukturen (Aufbauorganisation), beschreiben Ressourcen (personell/sachlich); z. B. Unternehmen, Universitäten, Mannschaften
Das Systemmodell Handling Different Types of Information Usage of a spccific modeling mcthod for cach type of information, c.g. rocess modeling method: dynamic"elements Data modeling method: static" elements Linking of different models difficult or impossible Distinctive vocabulary and context -> high risk of misunderstandings on of one consistent method to all system type Usage of the ZOPH-Method ZOpE P Potentials of the ZoPH-Method Application as mental model Application as computerized model Support of design and systems engineering Change management Coordination and management of goals Support of project management tasks(planning, metrics,) tegrated Product Development Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs
Das Systemmodell Seite 7 Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs
Das Systemmodell Diese Systemty pen konnen wieder zusammen ein( Gesamt-)System bilden Die Definition eines Systems enthalt folgende Formalisierungskomponenten Elemente Das Element stellt einen abgegrenzten bereich der Betrachtung inner- halb eines Systems dar. Es ubernimmt Aufgaben, welche abhangig von seinen Eigenschaften und seinen Funktionen beschrieben werden konnen. Ein Element kann auch ein System sein und beliebige Ele mente enthalten. Hierdurch kann der Begriff der Hierarchie eingefuhrt werden Attribute: Eigenschaften und Funktionen sind die Attribute eines elements Eigenschaften: Die Elemente konnen uber Eigenschaften(Element parameter, Input- parameter und Outputparameter) beschrieben werden. Die Parameter konnen dabei sowohl Platzhalter sein(qualitative Beschreibung) als auch Werte annehmen( quantitative Beschreibung) Funktionen: Funktionen stellen innerhalb eines Elements den Zusammenhang zwischen den eigenschaften her Inputs und Outputs sind Funktionen eines Elements und uberneh- men die Funktion Eigenschaften/Parameter in ein Element hineinzu- fuhren bzw. aus einem Element herauszufuhren Relationen: Die elemente stehen uber Relationen miteinander in Wechselwirkung Relationen sind durch einen Output und einen Input und/oder einen Input und Output festgelegt. Eine Relation enthalt keine Funktionen d h zwischen Output und Input findet keine veranderung des um- satzes statt. Die gesamtheit der relationen liefert eine information uber die Struktur des Systems Minimale werte fur die Formalisierungskomponenten Elemente→2 Elemente Attribute 2 je Element(I Parameter und I Funktion (InOutput)) Relationen I pro Element oder 2 Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs
Das Systemmodell Seite 8 Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs Diese Systemtypen können wieder zusammen ein (Gesamt-)System bilden. Die Definition eines Systems enthält folgende Formalisierungskomponenten: Elemente: Das Element stellt einen abgegrenzten Bereich der Betrachtung innerhalb eines Systems dar. Es übernimmt Aufgaben, welche abhängig von seinen Eigenschaften und seinen Funktionen beschrieben werden können. Ein Element kann auch ein System sein und beliebige Elemente enthalten. Hierdurch kann der Begriff der Hierarchie eingeführt werden. Attribute: Eigenschaften und Funktionen sind die Attribute eines Elements Eigenschaften: Die Elemente können über Eigenschaften (Elementparameter, Inputparameter und Outputparameter) beschrieben werden. Die Parameter können dabei sowohl Platzhalter sein (qualitative Beschreibung) als auch Werte annehmen (quantitative Beschreibung). Funktionen: Funktionen stellen innerhalb eines Elements den Zusammenhang zwischen den Eigenschaften her. Inputs und Outputs sind Funktionen eines Elements und übernehmen die Funktion Eigenschaften/Parameter in ein Element hineinzuführen bzw. aus einem Element herauszuführen. Relationen: Die Elemente stehen über Relationen miteinander in Wechselwirkung. Relationen sind durch einen Output und einen Input und/oder einen Input und Output festgelegt. Eine Relation enthält keine Funktionen, d.h zwischen Output und Input findet keine Veränderung des Umsatzes statt. Die Gesamtheit der Relationen liefert eine Information über die Struktur des Systems. Minimale Werte für die Formalisierungskomponenten: Elemente → 2 Elemente Attribute → 2 je Element (1 Parameter und 1 Funktion (In/Output)) Relationen → 1 pro Element oder 2
Das Systemmodell Seite 9 Versuch einer Quantifizierung Elemente Anzahl der elemente AE Attribute Anzahl der attribute Aa Relationen - Anzahl der Relationen Ar Subsysteme-> Anzahl der Subsystem AsI Unterteilung dieser Parameter AE- Elemente in Subsystemen AA -Element parameter Funktionen R- Gerichtete Relationen Ungerichtete Relationen AR As- Einteilung in Systemhierarchien Daraus konnen einige Kennzahlen abgeleitet werden A Parametrisierungsgrad A Umsetzungsgrad Informationszahl(Struktur faktor) Ae igens.schaum Funktionen Relation Relationatypen Du Dichte, Tempera gkeit WA Ortarelation (OR). OR Verbindungeatelle Koordinaten x y 2 Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs
Das Systemmodell Seite 9 Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs Versuch einer Quantifizierung Elemente → Anzahl der Elemente AE Attribute → Anzahl der Attribute AA Relationen → Anzahl der Relationen AR [Subsysteme→ Anzahl der Subsysteme AS] Unterteilung dieser Parameter AE - Elemente in Subsystemen AA - Elementparameter AAP - Funktionen AAF AR - Gerichtete Relationen ARG - Ungerichtete Relationen ARU AS - Einteilung in Systemhierarchien Daraus können einige Kennzahlen abgeleitet werden. Parametrisierungsgrad: A A AP E Umsetzungsgrad: A A AF E Informationszahl (Strukturfaktor): A A R E
Das Systemmodell Seite 10 Eine relation im SE-Element-Konzept hat Keine dimension Keine wirkung Keine phys. GroBe s Ist also nur eine strukturinformatio Uberblick zur Einordnung des begriffes systemtechnik Systemtheorie Kybernetik Operations Re (England 1940) systemwissenschaft Entscheidungs angewendet auf technische Systeme Nutzentheorie Systemanalyse Systemtechnik Praferenzsynthes 1950 Zur systemtechnischen Bearbeitung von technischen Aufgaben wird zumeist eine Simulation des zu untersuchenden Systems durchgefuhrt (a) Untersuchung von Systemen anhand von mathematischen Modellen, Stetige Modelle, Diskrete Modelle sowie Kombination beider Varianten (b) Untersuchung von Systemen anhand von physikalischen Modellen, Laborsimulation (c)Hybride Systeme Kombination von a und b) Aus der Systemdefinition folgt a) ein System besteht aus mindestens zwei elementen b) Jedes Element muss wenigstens zwei Attribute haben(mindestens eine Eigenschaft, min- destens eine funktion c) Jedes Element eines Systems muss durch wenigstens eine Relation mit einem anderen E lement verbunden sein. Teilmengen von untereinander verbundenen Elementen, die unter einander in verbindung stehen, sind abgeschlossene Systeme Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs
Das Systemmodell Seite 10 Systems Engineering Prof. Dr.-Ing. E. Igenbergs Eine Relation im SE-Element-Konzept hat - Keine Dimension - Keine Wirkung - Keine phys. Größe Ist also NUR eine Strukturinformation Überblick zur Einordnung des Begriffes Systemtechnik Systemtheorie Kybernetik Operations Research (England 1940) EntscheidungsNutzentheorie angewendet auf technische Systeme Systemanalyse Präferenzsynthese Systemwissenschaft Systemtechnik 1950 ! " # # # # # $ # # # # # ! " # $ # % % & & Zur systemtechnischen Bearbeitung von technischen Aufgaben wird zumeist eine Simulation des zu untersuchenden Systems durchgeführt: (a) Untersuchung von Systemen anhand von mathematischen Modellen, Stetige Modelle, Diskrete Modelle sowie Kombination beider Varianten. (b) Untersuchung von Systemen anhand von physikalischen Modellen, Laborsimulation... (c) Hybride Systeme (Kombination von a und b). Aus der Systemdefinition folgt: a) Ein System besteht aus mindestens zwei Elementen. b) Jedes Element muss wenigstens zwei Attribute haben (mindestens eine Eigenschaft, mindestens eine Funktion). c) Jedes Element eines Systems muss durch wenigstens eine Relation mit einem anderen Element verbunden sein. Teilmengen von untereinander verbundenen Elementen, die untereinander in Verbindung stehen, sind abgeschlossene Systeme