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QZ 07/2016

Komplexität ist ein Feind mit vielen Gesichtern

Mit Steinzeit-Methoden lassen sich heutige Probleme kaum lösen

Produkte und Organisationen sind so komplex geworden, dass ein Einzelner sie kaum noch überblicken kann. Auch die FMEA ist nicht mehr in der Lage, ein ganzes Produkt und all seine möglichen Fehler abzubilden. Die Methode muss weiterentwickelt werden und lernen, neue Anforderungen wie etwa selbstlernende Algorithmen zu berücksichtigen. Sonst hat sie bald ausgedient.

Komplexität – diesen Begriff hört man heutzutage beinahe zu oft. Jeder Projektleiter klagt über zu komplizierte Prozesse in der Firma, jeder Software-Entwickler hat sich schon vom eigenen Code überwältigt gefühlt. Und FMEA-Moderatoren spüren immer stärker, dass ihr gut bekanntes Werkzeug seine Grenzen erreicht, wenn moderne Systeme analysiert werden müssen. Man versucht, Komplexität zu vermeiden, und wenn das nicht geht, mit ihr zu leben oder sie zu beherrschen. Wichtig ist vor allem, sie und ihre Folgen zu verstehen.

Es gibt verschiedenste Definitionen der Komplexität. Der Grundsatz ist dabei jeweils ähnlich: Komplexität entsteht aus der Kombination von Veränderlichkeit und Vielfältigkeit von Elementen und deren Beziehungen. Diese können wiederum z. B. Systemkomponenten oder Geschäftsprozesse sein.

Bei der Entwicklung technischer Systeme sind wir mit mehreren Komplexitätsarten konfrontiert, die auf die Erstellung einer FMEA einen merklichen Einfluss haben. Ganz plakativ ist Produktkomplexität der Gegner aller System-Ingenieure, Hardware- und Software-Entwickler. Diese Komplexitätsart hat eine direkte Auswirkung auf die inhaltliche Komplexität der FMEA.

FMEAs immer umfangreicher

Als wäre das Produkt selbst nicht schon kompliziert genug, belästigen uns zusätzlich komplexe Organisationen und Prozesse (Stichwort Organisationskomplexität). Der Entstehungsprozess einer FMEA kann deutlich unter diesen Formen der Kompliziertheit leiden. All diese wirken sich außerdem auf die kognitive Komplexität aus, die wir dann als Entwickler, Projektleiter und FMEA-Moderatoren direkt spüren: Es wird immer schwieriger, unsere Produkte und Prozesse zu überblicken.

Um der Komplexität entgegenzuwirken, muss man zuerst ihre Treiber verstehen. Bei den Elementen (z. B. Komponenten, Unternehmensprozesse) treiben die Anzahl der Zustände, das Verhalten im Zeitablauf und die Variantenvielfalt die Komplexität in die Höhe. Bei deren Relationen ist wiederum neben der Vielfältigkeit die Unberechenbarkeit der Interaktionen schmerzhaft.

Ein weiterer Faktor, über den niemand gerne spricht, ist fehlendes Wissen über die Elemente oder ihre Zusammenhänge. All diese Merkmale führen dazu, dass FMEAs eine hohe Anzahl von Funktionen und Fehlfunktionen beinhalten, dass sie schlecht wiederverwendbar sind und dass Risiken aufgrund des fehlenden Wissens zu pessimistisch abgeschätzt werden.

Komplexität steigt exponentiell

In der Automobilbranche erleben wir derzeit mehrere Trends, die die Komplexität exponentiell in die Höhe treiben. Funktionen werden immer öfter im Zusammenspiel mehrerer Systeme im Fahrzeug realisiert. Dadurch ist die FMEA gefordert, komplexe Funktionen und Schnittstellen abzubilden, die wiederum zu komplexen Fehlfunktionen führen können. Die Vollständigkeit der Funktions- und Fehleranalyse leidet natürlich auch darunter. Die FMEA eines modernen mechatronischen Systems beinhaltet Hunderte von Strukturelementen, die Tausende von Funktionen haben, die dadurch auf Tausende von Arten versagen können. Die Zeit, eine solche FMEA zu erstellen, reicht kaum aus, berücksichtigt man die modernen Entwicklungszyklen von etwa 18 Monaten.

Ein zweiter, sehr technischer Grund ist, dass aufgrund der zunehmenden Kritikalität der Systeme und der immer höheren Verfügbarkeitsanforderungen immer öfter redundante Systeme zum Einsatz kommen. Die Analyse von stark redundanten Systemarchitekturen ist jedoch mittels einer FMEA, mit ihrer reinen Ein-Fehler-Betrachtung, praktisch unmöglich.

Von der Organisationskomplexität her gesehen stellen moderne Projektstrukturen eine große Herausforderung dar. Die klassische Kette Hersteller > Lieferant 1 > Lieferant 2 gehört der Vergangenheit an. Die Beziehungen unter diesen Ebenen sind immer vermischter. Beispielsweise kann der Hersteller seinem direkten Lieferanten ein Software-Modul liefern und agiert damit gleichzeitig als dessen Lieferant. Dieses Gefüge hat eine unmittelbare negative Auswirkung auf die Qualität der FMEA, auf die damit verbundenen Aufwände und auf die Fehleranfälligkeit des Prozesses. Der Hauptgrund dafür sind das verteilte Wissen und die komplexen organisatorischen Schnittstellen im FMEA-Entstehungsprozess.

Adaptive Algorithmen und künstliche Intelligenz sind weitere zukünftige Forschungsrichtungen. Wegen deren hohem Innovationsgrad sind die Effekte bisher kaum abschätzbar. Klar ist derzeit, dass nicht nur unsere Produkte, sondern auch die Entwicklungsprozesse davon betroffen sind. Die heutige Produkt-FMEA basiert auf der Annahme, dass das Produkt im Fokus unveränderlich ist und dass seine Zustände und Funktionen bekannt und gleichbleibend sind. Diese Annahmen sind aber für neuronale Netzwerke und adaptive Algorithmen nicht zwingend gültig. Wie analysieren Sie heute ein System, das morgen vielleicht ein anderes Verhalten hat? Wie stellen Sie in der FMEA eine Funktion dar, die heute noch gar nicht existiert?

Reduktion der Vielfalt

Zunehmende Komplexität ist indes nichts Neues – neu ist nur deren Grad. Es gab auch in der Vergangenheit schon Bewältigungsstrategien, die uns eventuell auch in diesen schwierigen Zeiten helfen können.

In erster Linie sollte man Komplexität vermeiden. Eine zielgerichtete und effektive Marktanalyse kann zum Beispiel die Anzahl der implementierten Funktionen reduzieren. Wenn man Komplexität nicht vermieden hat oder nicht vermeiden kann, muss man versuchen, sie zu reduzieren. Das Produkt kann unter anderem durch die Reduktion der Elementen- und Schnittstellenvielfalt und durch gezielte Technologieauswahl vereinfacht werden. Neben dem Produkt sollte aber auch die Organisation möglichst einfach gehalten werden, durch flache Hierarchien, effiziente Teams etc.

Wenn diese Maßnahmen noch nicht effektiv genug waren, hat man keine andere Wahl, als die Komplexität zu beherrschen. Auf diesem Gebiet hat sich in den letzten Jahrzehnten extrem viel getan. Der immer breitere Einsatz der modellbasierten Entwicklung (z. B. UML, Simulink, FMEA nach der VDA-Methodik), hierarchische Designs und hochwertige Prozesse (z. B. SPICE) haben allesamt dazu beigetragen, dass wir sichere und zuverlässige Produkte auf die Straßen bringen konnten.

Trotzdem sind wir an die Grenzen des Machbaren gestoßen. Die kognitiven Fähigkeiten des Menschen werden sich nicht signifikant verbessern, die zu bewältigende Komplexität steigt aber stetig. Die Methoden, die uns bisher geholfen haben, stammen zum Teil aus der Steinzeit. Unsere Analysemethoden (z. B. FMEA, FTA) sind perfekte Beispiele dafür. Viele versuchen als Notlösung, die bestehenden Methoden zu kombinieren, um die Schnittstellen zwischen den Analysen und die Analyseaufwände zu reduzieren. Man darf aber nicht vergessen, dass man dadurch die Grundzüge und Schwachstellen dieser Methoden nicht eliminiert. Dementsprechend ist Erfolg alles andere als garantiert.

Bekannte Methoden sind zu schwerfällig

Wir sind an einem Punkt angekommen, an dem wir zugeben müssen, dass die FMEA, wie sie heute gelebt wird, immer öfter an ihre Grenzen stößt. Sie ist zu steif, zu aufwendig und einfach nicht clever genug, um die Herausforderungen der neuen Zeit zu bewältigen. Neue Ansätze müssen her, ein Paradigmenwechsel ist erforderlich.

Ideen gibt es zum Glück einige. Viele Experten glauben an die Methodenintegration, indem Methoden nicht nur in einem Tool, sondern in einer wiederum neuen Methodik integriert werden. Damit können z. B. die Stärken von Fehlerbaumanalysen und FMEAs kombiniert werden, um deren Schwächen zu eliminieren. Die größten Hürden bei diesem Ansatz sind die fehlende Akzeptanz und die Kostenintensität der Entwicklung solcher Werkzeuge.

Abhilfe schaffen möglicherweise die höheren Abstraktionsebenen der Analysen, die immer öfter zu sehen sind. Neue Analysemethoden, die statt auf Tiefe auf Breite setzen, sind in der Lage, die Aufwände zu reduzieren und den Fokus der Entwickler besser auf das Wesentliche zu richten. Bei dieser Strategie muss man sich damit abfinden, dass man in der Tiefe weniger versteht. Dafür sieht man aber in der Breite mehr. Um diesem Ansatz zu folgen, muss man aber auch die technischen Lösungen anpassen. Wenn man z. B. die innere Struktur und das Fehlverhalten eines Steuergeräts nicht mehr versteht, muss man auf mehr Redundanz auf der Systemarchitekturebene setzen. Mit allen Konsequenzen.

Eine zusätzliche Strömung stellt die Anwendung von intelligenten Simulationsmethoden dar. Bei diesen Lösungen simuliert man das Fehlverhalten der Produkte, um daraus Erkenntnisse abzuleiten. Man könnte ganz frech sagen: Man simuliert, anstatt zu denken. Dadurch wird das Systemverständnis definitiv schlechter, die Analyse kann aber vollständiger und flächendeckender sein.

Letzte Hoffnung künstliche Intelligenz?

Als letzte und etwas utopische Lösung bleibt der Einsatz künstlicher Intelligenz. Das geht einen Schritt weiter als die Simulation und überlässt die Analyse und eventuell sogar die Optimierung intelligenten Algorithmen. Damit verschiebt sich der Fokus der Entwicklung auf die Definition und Implementierung dieser intelligenten Algorithmen. Den Rest übernehmen die Maschinen.

Wie auch immer die technische Entwicklung weitergeht, unser Wissen ist gefragt. Wenn wir die FMEA ablösen, sind wir FMEA-Experten alles andere als Vergangenheit. Das systematische Denken und die Leidenschaft, das Fehlverhalten eines Produkts zu verstehen, werden weiterhin essenzielle Erfolgsfaktoren sein. Wir müssen nur diesen Schritt wagen.

Adam Schnellbach M. Sc., geb. 1984, ist Gruppenleiter Funktionale Sicherheit bei der Magna Powertrain AG & Co KG in Lannach, Österreich. Er ist verantwortlich für alle Safety-Management- und -Engineering-Aufgaben. Dazu gehören unter anderem die Erstellung von Sicherheitskonzepten, die Durchführung von Sicherheitsanalysen, die kontinuierliche Weiterentwicklung der betroffenen Prozesse und die Durchführung von Safety Assessments.

Adam Schnellbach

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Weiterführende Information
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    Zunächst als Militärnorm entwickelt, in den 60er Jahren von der NASA und der Automobilindustrie übernommen, hat sich die Methode der Fehlermöglichkeits- und Einfluss-Analyse (FMEA) heute im Qualitätsmanagement vieler Branchen durchgesetzt.   mehr

3 Kommentare
  • 19.05.2017 von Ersetzt die künstliche Intelligenz jetzt schon den FMEA-Moderator?

    Unterm Strich wirklich sehr beeindruckend das alles, ich bekomme hier grade eine durchaus reale Vorstellung davon, wohin die technische Reise in Zukunf gehen wird!

    Ist der FMEA-Moderator jetzt schon ersetzbar, ersetzt die künstliche Intelligenz jetzt schon die eigene?

  • 29.07.2016 von Antwort: Neue Qualität der Erkenntnisfähigkeit

    Die Kritik vom Herrn Wolfgang Schlenzig ist absolut verständlich und teilweise berechtigt.

    Aus meiner Sicht erfolgt durch einen Paradigmenwechsel bei weitem keine Degradierung der Menschen. Man braucht auch in der Zukunft die kognitive Fähigkeiten und "die Kompetenz der Menschen, der Ingenieure und Qualitäter". Die müssen aber anders eingesetzt werden.

    Einfach mehr Zeit (und Geld) für die Entwicklung einzusetzen bietet hier keine Lösung, weil es auch heute nicht daran scheitert. Eben das ist die Kernaussage meines Beitrags.

    Wir können uns gegen die Realität weigern, die wird uns aber einholen.

  • 24.07.2016 von Neue Qualität der Erkenntnisfähigkeit

    Herrn Schnellbachs Beitrag betritt eine neue Qualität der Erkenntnisfähigkeit, nämlich die Behauptung, dass wir Menschen eigentlich damit am Ende sind. Maschinen sollen übernehmen.
    Vage gibt es uns eine letzte Chance, dass es vielleicht doch noch Experten gäbe, die mit systematischem Denken und Leidenschaft auch künftig in der Lage seien, Produkte zu verstehen.
    Aber sollten wir Menschen es überhaupt tun, Produkte herzustellen, die wir nicht mehr verstehen, wo wir bei den vielen unberechenbaren Interaktionen nicht mehr durchsehen?
    Im hektischen Überschlagen im Innovationswettlauf nach den Maximalprofiten sollten wir uns gar nicht mehr die Mühe geben, ergründen zu wollen, wie was funktioniert, was seine naturwissenschaftlichen Grundlagen sind, sondern „statt auf Tiefe auf Breite setzen“, und mit unserer Unvollkommenheit gegenüber dem, was wir an Produkten in die Welt setzen, abfinden.
    Sind dann auch die Ingenieure nur noch intellektuell bedingte Schrauber?
    Eine schauriche Vorstellung.
    Wissen wir zu wenig, weil wir uns nicht mehr die Zeit nehmen, oder stoßen wir an die Grenzen unserer „kognitiven Fähigkeiten“, sind wir dann ohnmächtig gegenüber der ständig steigenden Komplexität?
    Diese Perspektive trägt apokalyptische Züge.
    Ich plädiere für die Kompetenz der Menschen, der Ingenieure und Qualitäter,
    in Tiefe und Breite zu wissen, was sie tun.
    Wenn das die aktuelle Organisation der Wirtschaft nicht mehr zulassen sollte, dann muss sie geändert werden.

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