Complexity-oriented design of cyber-physical systems
Final Report Abstract
Fortschreitende Globalisierung, sinkende Markentreue und eine zunehmende Vielfalt der Kundenwünsche führen zu einem Individualisierungstrend von Produkten und einem steigenden Zeit- und Innovationsdruck auf produzierende Unternehmen. Durch cyber-physische Systeme (CPS), also die Vernetzung mehrerer mechatronischer Subsysteme, können Differenzierungspotentiale und Funktionserweiterungen realisiert werden. Aufgrund der hierdurch steigenden Produktkomplexität und dadurch steigenden Komplexitätskosten rückt das Komplexitätsmanagement bei der Gestaltung und Entwicklung CPS in Unternehmen verstärkt in den Mittelpunkt. Es ist zu erwarten, dass die Relevanz von CPS in den nächsten Jahren stark zunehmend ist und sich in immer mehr Bereiche und Branchen ausdehnt. Daher gewinnt die Beherrschung der Komplexität dieser Systeme in gleichem Maße an Bedeutung. Das übergeordnete Ziel des Forschungsprojektes war daher die Entwicklung einer Methodik zur Optimierung des Kosten-/Nutzenverhältnisses von CPS durch eine komplexitätsorientierte Gestaltung. Dabei sollte zunächst die Komplexität in CPS quantifiziert und hinsichtlich ihrer Kosten- und Nutzeneffekte untersucht werden. Anschließend wurden Stellhebel zur zielgerichteten Reduktion und Steuerung der Komplexität ermittelt. Auf dieser Basis können Anwender der entwickelten Methodik Handlungsempfehlungen für die Gestaltung ihrer CPS ableiten. Zur Erreichung dieses Ziels wurde in AP 1 zunächst ein Beschreibungsmodell erarbeitet, welches die charakteristischen Merkmale eines CPS aus einer komplexitätsorientierten Sichtweise umfasst. Sowohl CPS als auch Komplexität wurden dabei in drei Dimensionen aufgeteilt. CPS setzen sich demnach aus den Dimensionen physischer Elemente, virtueller Elemente und Elemente zur Vernetzung zusammen. Komplexität umfasst die Dimensionen Vielfalt, Dynamik und Interdependenz. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend wurden in AP 2 Komplexitätstreiber identifiziert und in einer Matrix strukturiert, die sich aus den jeweils drei Dimensionen von CPS und Komplexität aufspannen lässt. Diese Matrix diente auch in AP 3 als Rahmen für die Entwicklung eines Kennzahlensystems. Das Kennzahlensystem weißt dabei je Feld der Matrix einen Komplexitätsscore zwischen 1 und 10 aus und dient damit dem Vergleich verschiedener CPS hinsichtlich ihres Komplexitätsschwerpunkts. In AP 4 erfolgte die Bewertung, welche Kosten- und Nutzeneffekte durch die Komplexität der CPS entstehen. Die Bewertung der Kosteneffekte wurde durch eine ressourcenorientierte Prozesskostenrechnung vorgenommen. Dabei werden die Ressourcenverbräuche der Geschäftsprozesse in Abhängigkeit verschiedener Kostentreiber berechnet. Durch die Verknüpfung der Kostentreiber mit den Komplexitätstreibern ist es möglich, den Schwerpunkt der Komplexitätskostenentstehung ebenfalls in der angesprochenen Matrix zu ermitteln. Auch die Nutzeneffekte konnten je Feld der Matrix bestimmt werden, wodurch auch hier der Schwerpunkt der Nutzenentstehung aufgezeigt werden konnte. Um dies zu erreichen wurden Anforderungen über eine Domain Mapping Matrix (DMM) mit den Funktionen des CPS verknüpft und diese wiederum über eine DMM mit den Komponenten und Elementen des Systems. Abschließend wurden durch den Abgleich der Kosten- und Nutzeneffekte Handlungsfelder aufgezeigt und mit Hilfe von generischen Maßnahmen Impulse für die Gestaltung des CPS gegeben. Die Validierung erfolgte in AP 5 mit mehreren Experten aus der Industrie anhand des Fallbeispiels einer Werkzeugmaschine im Kontext von Industrie 4.0. Während die Experten durch die entwickelte Methodik wertvolle Impulse erhalten haben, konnten zudem Handlungsfelder identifiziert werden, die zur Methodenüberführung in die Praxis bearbeitet werden müssen. Vor allem für die auf der ressourcenorientierten Prozesskostenrechnung basierende Quantifizierung der Kosten, die durch Komplexität entstehen, wurde die Empfehlung ausgesprochen, eine Methodik zu entwickeln, die eine einfachere Anwendung ermöglicht. Daneben stellt die Weiterentwicklung des Excel-basierten Expertentools zu einem nutzerfreundlichen Anwendertool einen Aufsatzpunkt für weitere Aktivitäten dar. Insgesamt stellt das Forschungsprojekt einen wichtigen Schritt in der besseren Beherrschung von Komplexität in CPS dar. Durch die entwickelten Teilmodelle entstanden Ansätze, die es ermöglichen eine komplexitätsorientierte Perspektive auf die Entwicklung von CPS einzunehmen und Transparenz über die Ursachen und Wechselwirkungen von Komplexität in CPS zu schaffen.
Publications
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Complexity-Oriented Description of Cyber-Physical Systems. In: Proceedings of the 10th Congress of the German Academic Association for Production Technology (WGP), Dresden, Deutschland, 23.-24. September 2020
Keuper, A.; Dölle, C.; Riesener, M.; Schuh, G.
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Matrix-Based Landscapes for Communication between Market and Product Perspective. In: Proceedings of the 22 nd International DSM Conference (DSM 2020), Cambridge, Massachusetts, Vereinigte Staaten von Amerika, 13.-15. Oktober 2020
Riesener, M.; Dölle, C.; Lender, B.; Schuh, G.
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Quantification of complexity in cyberphysical systems based on key figures. In: 31st CIRP Design Conference 2021 (CIRP Design 2021), Enschede, Niederlande, 19.-21. Mai 2021
Riesener, M.; Dölle, C.; Keuper, A.; Fruntke, M.; Schuh, G.
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Understand and Control Complexity in Cyber-Physical Systems by Analyzing Complexity Drivers. In: 4th IEEE International Conference on Industrial Cyber-Physical Systems (ICPS), Victoria, British Columbia, Kanada, 10.-12. Mai 2021
Riesener, M.; Dölle, C.; Keuper, A.; Schuh, G.
