Table Of ContentMichael Bruns
Systemtechnik
Ingenieurwissenschaftliche Methodik
zur interdisziplinaren Systementwicklung
Mit 87 Abbildungen
SpringeI~Ver1ag
Berlin Heidelberg NewY ork
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona Budapest
Dr.-lng. Michael Bruns
c/o Institut fUr Regelungstechnik
der RWTH Aachen
D-5100 Aachen
ISBN-13: 978-3-540-53467-9 e-ISBN-13: 978-3-642-95646-1
DOl: 10.1007/978-3-642-95646-1
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Bruns, Michael:
Systemtechnik : ingenieurwissenschaftliche Methodik zur
interdisziplinaren Systementwicklung I Michael Bruns.
Berlin; Heidelberg; New York ; London; Paris; Tokyo;
Hong Kong ; Barcelona; Budapest: Springer, 1991
Zugl.: Habil.-Schr. u. d. T.: Bruns, Michael: Strukturentwicklungen
zur Systemtechnik fUr Ingenieure
ISBN-l3: 978-3-540-53467-9
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1991
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Satz: Danny L. Lewis, Bucli:produktion Berlin, mit T EX;
Offsetdruck: Mercedes-l)ruck, Berlin; Bindearbeiten. B. Helm, Berlin
6013020 543210 -Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort
Mit der Berufung von Herro Prof. Dr.-Ing. F. Hildebrandt zum Inhaber des Lehrge
biets "Systemtechnik:, Arbeitsplanungsmethoden und Arbeitsingenieurwesen" im Jahr
1971 begannen an der Rheinisch-Westfilischen Technischen Hochschule Aachen die
methodenorientierten Forschungen und anwendungsorientierten Entwicklungen zur
Systemtechnik. Diese Arbeiten fanden ihren Ausdruck in der Ausbildung von Ingeni
euren, Naturwissenschaftlern und Geisteswissenschafdern in Form einer zweisemestri
gen Vorlesung "Systemtechnik", die seitdem veranstaltet und stiindig weiterentwickelt
wird. Mit der Emeritierung von Prof. Dr.-Ing. F. Hildebrandt wurde das Arbeitsgebiet
auf mich iibertragen. Die mit diesem Buch vorliegende Monographie ist eine unter
Nutzung von Vorlesungsmanuskripten iiberarbeitete und erweiterte Fassung meiner
Habilitationsschrift "Strukturentwicklungen zur Systemtechnik: fiir Ingenieure".
Ich danke meinem im Jahr 1990 leider verstorbenen Lehrer und Vorgiinger Prof.
Dr.-Ing. F. Hildebrandt fiir das Uberlassen des Arbeitsgebiets mit allen zugeh6rigen
Unterlagen, die freundlichen Anleitungen und die wertvollen Diskussionen. Herro
Prof. Dr.-Ing. H. Rake danke ich fUr die Unterstiitzung der Systemtechnik und der:
Arbeiten an diesem Buch.
Inhaltsverzeichnis
1 Einfiihrung ....... 1
1.1 Aligemeines · ... 1
1.2 Gegenstandsbereich 2
1.3 Problembearbeitung 3
1.4 Systemforschung . . 6
1.5 Kennzeichen der Systementwicklung 7
2 Formale Grundlagen 8
2.1 Allgemeines · . 8
2.2 Aussagenlogik . 10
2.3 Priidikatenlogik 13
2.4 Mengen, Relationen und Funktionen 14
2.5 Graphen 20
2.6 Semiotik . 26
2.7 Beispiele . 28
3 Das Systemkonzept . 31
3.1 Aligemeines · . 31
3.2 Der Systembegriff 31
3.3 Systemdefinitionen . 32
3.4 Systemdarstellungen 37
3.5 Beispiel .... 38
4 Systemeigenschafien 41
4.1 Systemtypen .. 41
4.2 Systemabgrenzung . 43
4.3 Klassifizierungsmerkmale 44
5 Strukturentwicklung . . 46
5.1 Der Strukturbegriff . 46
5.2 Vorgehensweisen , . 47
5.3 Hiiufige Struktureri . 49
5.4 Komplexitiit einer Struktur . 53
VITI Inhaltsverzeichnis
5.5 Darstellungsweise 57
5.6 Beispiel ..... 58
6 Systementwicklungsproze8. 61
6.1 Ailgemeines . . 61
6.2 Vorgangsfolgen..... 61
6.3 Ablaufabschnitte.... 63
6.4 Standardisierte Ablaufstrukturen . 64
6.5 Konstruktion und Systementwicklung 68
6.6 Technisch-organisatorische Systementwicklung . 71
7 Strukturentwicklung in der Informationsverarbeitung 73
7.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.2 Strukturen von Informationverarbeitungssystemen 74
7.3 Re1ationale Datenmodelle . . . . . . . . . . . . . 77
8 Strukturentwicklung in der Automatisierungstechnik 85
8.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.2 Strukturen von Automatisierungssystemen .. 85
8.3 Strukturentwurf fUr eine Mebrgro3enregelung . 90
9 Projektmanagement ........ . 94
9.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . 94
9.2 Projektaufbau und Projektablauf . 95
9.3 Aufgaben des Projektmanagements 99
9.4 Die Akquisitionsphase . 103
10 Zusammenfassung 110
Literaturverzeichnis . 111
Abbildungsverzeichnis l1S
Tabellenverzeichnis . 118
Formelzeichen . 119
Sachverzeichnis . 121
1 Einfiihrung
Es wird eine Einfiihrung in das Gebiet der Systemtechnik gegeben. Im Vordergrund
stehen die Beziehung der Systemtechnik zu den ihr benachbarten Disziplinen und die
generelle Methodik systemtechnischen Denkens und Arbeitens.
1.1 Allgemeines
Ingenieurmiilliges Arbeiten ist seit jeher von der Entwicklung neuer Einrichtungen
und Anlagen gepragt. Dabei werden in einem Wechselspiel Aufgabenanalysen und
Synthesen neuer Gebilde zur Aufgabenerfiillung durchlaufen. Diese Gebilde werden
allgemein SYSteme genannt.
Die Systeme waren friiher einfacher technischer Art (z.B. Werkzeuge). Mit zu
nehmenden Anforderungen wuchsen die Systeme schnell durch den Aufbau groBerer
Anlagen, die Einbeziehung des Menschen, die Entwicklung der Rechenanlagen usw.
Schon friih traten dabei Fragen der Beschreibung der Systeme und der Abgrenzung
der Systeme zur Systemumgebung auf.
Mit steigender SystemgroBe wuchsen die Schwierigkeiten, die Systeme zu beherr
schen, weil sie erstens uniiberschaubarer wurden und zweitens der Systementwick
lungsvorgang undurchsichtiger wurde. Auch die Fragen der Aufgabenerfiillung und
der Verantwortlichkeit dafiir traten in den Vordergrund. Aus dieser Situation heraus
entwickelte sich die Systemtechnik, die die Ingenieurwissenschaften und die benach
barten Disziplinen im Sinn einer Zusammenhangsschau betrachtet. .P!~ ~y.s"temtech
nik stellt eine gemeinsatJ1e formale Sprache bereit. die es gestattet, ingenieurmiillige
Methoden auf N achbargebiete und umgekehrt zu iibertragen und legt somit tragfahige
~G -rundlagen fUr interdiziplinare ProblemlOsungen. Das Hauptanliegen d. er Syst.e m,. te ~ -c-.h )-;
nik ist es, Entwicklungsvorhaben zur Realisierung und zum erfolgreichen Betrieb zu
bringen.
2 1 Einfiihrung
1.2 Gegenstandsbereich
Die Systemtechnik wird als Verallgemeinerung und Erweiterung der ingenieurwissen
schaftlichen Methodik: betrachtet. Die Verallgemeinerung gilt der Erstellung grundle
gender methodischer Konzepte. Die Erweiterung erstreckt sich auf methodische Instru
mentarien fUr die Bearbeitung von Planungs-und Gestaltungsaufgaben, deren Medien
sich mit den Begriffen Material, Energie, Betriebsmittel, Information und Personal
charakterisieren lassen. Die Systemtechnik ist auf die Untersuchung und Entwick
lung von Systemen als sinnvoll gegliederte Gebilde fiir reale Organisationsformen
ausgerichtet, die von technisch-wirtschaftlichen Komponenten und von menschlichen
Belangen determiniert werden. Mit dem ,Systembegriff als Strukturhilfsmittel der Me
thodik: werden dabei Vorstellungsgehalte entwickelt, nach denen eine Realisierung von
Vorliahen ausgelegt werden kann.
Kennzeichen der Systemtechnik sind die zum Systembegriff entwickelten Struk~
hilfsmittel ftir die Untersuchung und Gestaltung von organisatorischen Formen. Das
System kann als Strukturvorstellung fUr das Objekt (vgl. Kap. 5) oder fUr den ProzeB
(vgl. Kap. 6) der Systementwicklung ausgelegt werden. AIle Auslegungen' werden
hier auf formale Darstellungen gegriindet (vgl. Kap. 2).
In der Entwicklung wissenschaftlicher Disziplinen zeichnen sich heute zwei Ten
denzen ab: die Spezialisierung und die Generalisierung. Die Entwicklung der System
.t~hnik folgt der letztgenannten Tendenz. Sie ist aus der Methodenentwicklung fiir
graBe technisch-organisatorische Projekte hervorgegangen. Umfang und Komplexitat
der Problemstellung machten es erforderlich, nach neuen Wegen fUr systematische
Vorgehensweisen zu suchen. Die Verarbeitung und Bereitstellung der daftir erforder
lichen graBen Informationsmengen wurde durch die EDV-Entwicklung moglich.
Der Begriff "Systemtechnik" entstammt etymologisch dem Griechischen. Er ist ei
ne Verkniipfung der Begriffe "zusammen, stellen, Handwerk". "Systemtechnik" ent
spricht der amerikanischen Bezeichnung "Systems Engineering". Unter dieser Be
zeichnung wurden bereits in den vierziger Jahren in den Forschungsunternehmen Bell
Telephone Laboratories (USA) neue Vorgehensweisen eingefiihrt. Gelegentlich wer
den die Begriffe "Systemtechnik" und "Systemanalyse" (entspr. "Systems Analysis")
noch synonym gebraucht. Die Systemanalyse wird hier als ein TeilprozeB der system
technischen Entwicklung betrachtet.
Aus der Standortwahl fiir die Perspektive ergeben sich die Nachbargebiete zur
Systemtechnik. Ais ingenieurwissenschaftliche Methodik: steht sie in zweiseitigen Be
ziehungen zu den Itlgerrleu!Wlssfmscharien (bedingt durch Verallgemeinerung und Er
weiterung) und zu deren Umwelt in der Praxis (Abbildung 1.1).
Die Konstruktionsmethodik: kann als Ausgangsbasis der Verallgemeinerung der in
genieurwissenschaftlichen Methodik: zur Systemtechnik gelten. Je umfangreicher und
komplexer die Gestaltungsaufgaben sind, urn so mehr gehen die dafiir anzuwendenden
Methoden beider Gebiete ineinander iiber. Die Regelungstechnik kann der System
technik Prinzipien fiir Strukturentwicklungen zur Verfiigung stellen. Beide Gebiete
hahen gemeinsame Wurzeln in der Systemtheorie.
Die Unternehmensforschung (im Sinne des Operations Research) ist auf die Pro
blembearbeitung mit Hilfe mathematischer Modelle ausgerichtet - zwecks Erstel-
1.3 Problembearbeitung 3
Konstruktions- Regelungs-
methodik technik
/~IngenieU~Wi:se~SChaftliChe
\
D1SZlpllnen
Systemtheori e ---....-.. Systemtechni k
~~I ngenieurwissenschaftliche
/ ~ Umwelt
Indus tri a 1 Operations
Engi neeri ng research
Abb. 1.1: Systemtechnik in der Beziehung zu Nachbargebieten [14]
lung einer quantitativen Basis fUr die Beurteilung und Optimierung der Wrrksamkeit
von EntscheidungsmaBnahmen. Kennzeichen unterschiedlicher Orientierung in Sy
stemtechnik und Operations Research ergeben sich auch aus der Beschaffenheit der
Problemstellungen im Anwendungsbereich. Ihre Abhebung kann nach Aspekten der
Problembestimmtheit (entwicklungsbedingt/vorgegeben), der Problemobjektart (sozio
technisch/technisch-okonomisch), der Bewertungsmoglichkeiten (AnordnunglQuanti
fizierung) und des Zielrahmens (Realisierbarkeit/Optimierung) erfolgen (Tabelle 1.1).
Auspriigung in I
I
Aspekt Systemtechnik Operations Research
Problem- entwicklungsbedingt vorgegeben
bestimmheit
Problem- sozio-technisch technisch-okonomisch
objektart
Bewertungs- qualitativ und quantitativ
kategorie quantitativ
Zielrahmen Realisierbarkeit Optimierung
Tabelle 1.1: Unterscheidungsmerkmale von Systemtechnik und Operations Research[16]
1.3 Problembearbeitung
Die systemtechnische Problembearbeitung kann als ProzeB zwischen der Problemstel
lung als Eingabe und dem Ergebnis als Ausgabe betrachtet werden (Abbildung 1.2).
4 1 Einfiihrung
Bei einer Oliederung des Prozesses in 3 Bearbeitungsabschnitte werden diese bei
einfachen Aufgabenstellungen in der Zielfolgeverkniipfung (Vorkopplung) durchlau
fen, bei komplexen Aufgabenstellungen jedoch vorwiegend in umgekebrter Richtung
(Riickkopplung), so daB mit Erreichen einer realitiitsentsprechenden Formulierung zu
gleich LOsung und Realisierung gekliirt sind.
In dem in Abbildung 1.2 dargestellten Strukturdiagramm sind die Prozesse den
BlOcken und die Informationen als Verbindungsglieder den Pfeilen zugeordnet.
Uisu ngsmoglichkeiten
H
l
Problem - 18esChreibg.!I I Losung -I'
stellu ng Formu lieren ! Losen I Realisieren ! Ergebnis
8edi ngu ngen
Abb. 1.2: Ablaufstruktur zur Problembearbeitung [14]
Eine Problembearbeitung kann auf verschiedenen Abstraktionsstufen erfolgen. Es
sollen bier 4 Stufen als Ebenen der Problemlosung betrachtet werden (Abbildung 1.3),
denen jeweils 3 Bearbeitungsabschnitte zugeordnet sind - wie vorhergehend Abbil
dung 1.2, jedoch vereinfacht durch Fortlassen der Riickkopplungen. Den Ebenen lund
IT entspricht die nicht formale Problembearbeitung - undefininiert bei lund definiert
bei IT - und den Ebenen ill und IV die formale Problembearbeitung - nieht quantitativ
bei ill und quantitativ bei IV. Die systemtechnische Behandlung einer Aufgabenstel
lung erfolgt auf dem Abstraktionsniveau, das den Bedingungen im Aufgabenbereieh
und den LOsungsmoglichkeiten angemessen ist Hierbei kommt den Methoden der
Ebene ill besondere Bedeutung zu: zur ErschlieBung der formalen Behandlung mit
nieht-quantitativen Struktur- oder Komponentendarstellungen und zur Aufbereitung
der Informationen fiir die Anwendung quantitativer Modelle der Ebene IV.
Die Bearbeitung systemtechnischer Aufgabenstellungen in der Praxis erfolgt in
mehreren Abschnitten, die nach Zahl und LOsungsanteil sowie nach Vor- und Riick
kopplung in Abhlingigkeit von Art und Umfang der jeweiligen Problemstellung auszu
legen sind. Einfache Problemstellungen mit iiberschaubarem Ablaufgeschehen (mitun
ter auch als gutartig oder well-structured bezeichnet) konnen eine Bearbeitung anhand
entsprechend einfacher Ablaufstrukturen erfahren, wie sie sieh z.B. aus den folgenden
Bearbeitungsabschnitten aufbauen lassen:
1. Problemdefinition,
2. Informationssammlung,
3. Informationsauswertung,
4. Altemativenentwicklung,
