Seamless Process in Mobility Systems Engineering
The mobility sector has been undergoing a strong, continuous transformation for years. The field of mobility is constantly developing in great strides, through not only the further development of new technologies such as automated driving, but also through new solutions in the field of electrification in the traffic and vehicle sector. On the one hand, this leads to newly generated fields of activity in the mobility sector; on the other hand, it also results in new challenges in the systems engineering process, which run through the entire value chain of a vehicle and also go beyond it.
Seamless Process
In order to be able to absorb these influences and develop new innovations, it is essential to rethink beyond the components to a systematic approach. Only then can the processes in the field of systems engineering, as well as their representations, be continuously rethought and adapted in a holistic view. To illustrate this, Prof. Dr.-Ing. Eric Sax, Institute Director of ITIV at KIT, Director of Embedded Systems and Sensors Engineering at the Research Center for Computer Science, and Program Director of the part-time Master Program of the HECTOR School "Mobility Systems Engineering & Management", has developed the diagram of the Seamless Process together with employees of the HECTOR School.
From the idea to the execution
Systems Engineering is characterized here by a Seamless Process, which is designed in a spiral form. It illustrates the continuity of the process and shows that it can start with an idea at an existing product, but does not end. This is a significant departure from earlier implementations in which, to exaggerate slightly, a product comes off the production line, remains largely unchanged and has thus reached the end of its value creation process. Today, the product is adapted directly in the field and through the systems engineering process is continuously developed further.
Data Analytics
The above-mentioned opening of the vehicle creates a large amount of data. Today, there are sometimes over 50,000 signals in the vehicle.
Integrated AI Engineering
This data must be processed in data analytics. This is done by Integrated AI, which is used both in automated driving and in a wide range of services in the vehicle.
Data-Driven Systems Engineering
The data is used centrally, for example in a backend, as the basis for systemic function development.
E/E Architectures
The data and signals that have now been processed must then be transferred back to the vehicle. There they are converted into applications by the electrical/electronic architecture (E/E architectures). This represents the physical realization in the vehicle. In this process, the algorithm generated by collected and analyzed data is transferred to the vehicle or controls vehicle functions from a cloud.
Safety & Security
Another essential point for the systems engineering process is safety and security. Both safety for life and limb and security with regard to the opened vehicle and the collected data play an important role here. The open vehicle, as already described at the beginning, offers many possibilities for networking and analyzing data, but also generates a risk of hacker attacks and leaks in data security.
Verification & Validation
In addition to security in relation to the vehicle's drivers and in relation to data security, there is then the need to secure and release the vehicle as well as the systems in their basic function. This point could be described as the last point in the production process, as the vehicle then virtually leaves the assembly line and goes on sale. This step therefore marks the beginning of the spiral and the value creation process.
Continuous Integration
Continuous systemic integration is achieved through the software. Even if a vehicle appears to be finished, a wide variety of systems and innovations can still be installed in the form of software updates. The spiral illustrates this function and makes it clear that in the new age of mobility, the value creation process of a vehicle, just like that of a system, is never completely finished and always begins anew. Functionality as well as comfort and safety can thus be constantly optimized and adapted to new conditions. But the constant further development of vehicles through over-the-air software updates can also bring problems and new sources of error if the vehicle is not re-tested or even re-approved after each update.
Challenge and potential for the German market
The solution to the challenges of the new mobility lies in system-oriented work. Prof. Sax sees this area as a great potential strength for the German market. A systems-oriented mindset can raise component use to an overarching level and thus develop a holistic process. However currently manufacturers are still focused on the components, not on systemic integration. Here lies an opportunity for Germany as a business location to further develop its strength in systemic integration.
Opportunities that are now arising in the mobility sector also lie in the area of after-sales. On the one hand, this presents a new set of challenges, as after-sales must be at eye level with the development team in order to understand the vehicle and the systems. On the other hand, this continuous value creation process now offers the opportunity to be able to work with the vehicle's data and create new functions.
Mobility Systems Engineering and the V-Modell
The Master's program Mobility Systems Engineering and Management at the HECTOR School was set up according to the process model commonly used in the automotive industry, the so-called V-model. This model explains the holistic structure of the process and product development and also increasingly provides for elements of agile development. The module plan also runs from analysis, to system design, to implementation and testing of the systems.
Engineering Modules
Engineering Module 1 "Processes, Methods and Tools of Systems Engineering" is at the level of analysis and system design according to the V-model. Here, the processes and methods that are important for systems engineering are introduced and tested.
Engineering Module 2 "Systems Design" then deals with the technologies of E/E architecture. These are introduced and conceptually described in the module.
In Engineering Modules 3 and 4, students can specialize in one area. Either on the functions of ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) or the area of E-Mobility with its technological as well as political challenges and focal points. These two modules overlap in the V-model the system design, the component design as well as the implementation of the systems.
System integration and validation then includes quality assurance and testing of the systems, and thus forms the interface between implementation and testing.
The system in the higher-level system
In the context of the Seamless Process, the systems engineering approach can also be transferred to the V-Modell. The V-Modell organizes the development process into individual phases, with the implementation and the software form the lower end of the V-Modell. From the point of validation, the V then runs back upwards.
The new aspect of this Seamless Process is the representation of the vehicle as a system in the higher-level system (System of Systems). Due to the opening of the vehicle and the new technologies and systems that accompany it, the V is, so to speak, continuously passed through, which is illustrated by the spiral representation of the Seamless Process.
The Master's program Mobility Systems Engineering and Management offers an excellent qualification for the totality of systems engineering. An understanding of the totality of the design process and engineering within the mobility sector is generated. The program in its part-time form represents a culture of lifelong learning. In times of constant digital and technological change, it is of fundamental importance that the expertise as well as the competence of a company's employees also continuously evolves and adapts to external circumstances. Through constant further development, the areas of responsibility and projects also remain diverse and thus ensure a varied work assignment. This approach can also be applied to the Seamless Process, as this is also continuously repeated and constantly learns, and thus offers an ideal and meaningful process for future engineers.
Seamless Process im Mobility Systems Engineering
Der Mobilitätssektor unterliegt seit Jahren einer starken Transformation, welche noch immer anhält. Nicht nur durch neue Technologien wie der Weiterentwicklung des automatisierten Fahrens, sondern auch durch neue Lösungen im Bereich der Elektrifizierung im Verkehrs- und Fahrzeugsektor entwickelt sich das Gebiet der Mobilität stetig in großen Schritten weiter. Dies führt einerseits zu neu generierten Aufgabengebieten im Mobilitätssektor, andererseits ergeben sich dadurch auch neue Herausforderungen im Systems Engineering Prozess, die sich durch die gesamte Wertschöpfungskette eines Fahrzeugs ziehen und auch darüber hinaus gehen.
Seamless Process
Von der Idee bis zur Realisierung
Systems Engineering zeichnet sich hier durch einen Seamless Process aus, der als Spiralform angelegt, die Kontinuität des Prozesses verdeutlicht und aufzeigt, dass er zwar mit einer Idee bei einem bestehenden Produkt beginnen kann, aber nicht endet. Hier ergibt sich ein erheblicher Unterschied zu früheren Umsetzungen in denen überspitzt formuliert ein Produkt vom Band läuft, das dann weitgehend unverändert bleibt und somit am Ende seines Wertschöpfungsprozesses angekommen ist. Heute findet eine Anpassung des Produkts direkt im Feld und dem Systems Engineering Prozess statt und wird kontinuierlich
Diese Weiterentwicklung ergibt sich aus den neuen Anforderungen an den Mobilitätssektor sowie den neuen Technologien innerhalb dessen. Mobilitätskomponenten kommunizieren untereinander sowohl in Flotten/Schwärmen als auch im Backend. Der Unterschied zu früheren Entwicklungsprozessen besteht darin, dass die Fahrzeuge geöffnet werden.
Data Analytics
Integrated AI Engineering
Data-Driven Systems Engineering
Die Daten werden als Basis für eine systemische Funktionsentwicklung zentral, zum Beispiel in einem Backend verwendet.
E/E Architectures
Die Daten und Signale, die nun verarbeitet wurden, müssen anschließend ins Fahrzeug übertragen werden. Dort werden sie durch die Elektrik/Elektronik Architektur (E/E Architectures) in Anwendungen umgesetzt. Diese stellt die physikalische Realisierung im Fahrzeug dar. Dabei wird der generierte und durch gesammelte und analysierte Daten erzeugte Algorithmus ins Fahrzeug übertragen oder steuert Fahrzeugfunktionen aus einer Cloud heraus.
Safety & Security
Ein weiterer essenzieller Punkt für den Prozess des Systems Engineering ist Safety and Security. Sowohl die Sicherheit für Leib und Leben als auch die Sicherheit in Bezug auf das geöffnete Fahrzeug und die gesammelten Daten spielen hier eine wichtige Rolle. Das geöffnete Fahrzeug, wie bereits eingangs beschrieben, bietet neben den vielen Möglichkeiten für die Vernetzung und Analyse von Daten natürlich auch ein Risiko vor Hackerangriffen und Lecks in der Datensicherheit.
Verification & Validation
Neben der Sicherheit in Bezug auf die Fahrenden des Fahrzeugs und in Bezug auf die Datensicherheit besteht anschließend die Notwendigkeit, das Fahrzeug sowie die Systeme in ihrer Grundfunktion abzusichern und freizugeben. Diesen Punkt könnte man als letzten Punkt im Produktionsprozess bezeichnen, da anschließend das Fahrzeug quasi vom Band in den Verkauf gelangt. Mit diesem Schritt beginnen demnach die Spirale und der Wertschöpfungsprozess.
Continuous Integration
Die kontinuierliche systemische Integration gelingt durch die Software. Auch bei einem augenscheinlich fertigen Fahrzeug können im Anschluss noch verschiedenste Systeme und Neuerungen in Form von Software-Updates aufgespielt werden. Die Spirale bildet diese Funktion ab und verdeutlicht, dass im neuen Zeitalter der Mobilität der Wertschöpfungsprozess eines Fahrzeugs genauso wie eines Systems nie vollständig abgeschlossen ist und immer wieder von neuem beginnt. Die Funktionalität sowie der Komfort und die Sicherheit können dadurch stetig optimiert und an neue Bedingungen angepasst werden. Doch die stetige Weiterentwicklung der Fahrzeuge durch over-the-air Software-Updates kann auch Probleme und neue Fehlerquellen mit sich bringen, wenn nicht nach jedem Update eine erneute Prüfung des Fahrzeugs oder gar eine neue Zulassung stattfindet.
Herausforderung und Potenzial für den deutschen Markt
Die Lösung auf die Herausforderungen der neuen Mobilität steckt in der systemorientierten Arbeit. In diesem Bereich sieht Prof. Sax Potenzial und gleichzeitig die größte Stärke des deutschen Marktes. Durch eine systemorientierte Denkweise kann der Komponenteneinsatz auf eine übergreifende Ebene gehoben und dadurch ein ganzheitlicher Prozess entwickelt werden. Aktuell liegt der Fokus vieler Hersteller jedoch noch in den Komponenten, nicht in der systemischen Integration. Hier liegt eine Chance für den Standort Deutschland, die Stärke im systemischen Integrationsgedanke weiter auszubauen.
Chancen, die sich nun im Bereich des Mobilitätssektors ergeben, liegen auch im Bereich des After-Sales. Hier beginnt einerseits die Herausforderung, da der After-Sale auf Augenhöhe mit dem Entwicklerteam sein muss, um das Fahrzeug und die Systeme verstehen zu können. Andererseits bietet dieser kontinuierliche Wertschöpfungsprozess nun die Möglichkeit, mit den Daten des Fahrzeugs arbeiten zu können und neue Funktionen zu schaffen.
Mobility Systems Engineering und das V-Modell
Der Masterstudiengang Mobility Systems Engineering and Management der HECTOR School wurde nach dem in der Automobilindustrie üblichen Prozessmodell, dem sogenannten V-Modell, aufgesetzt. Dieses Modell erklärt den ganzheitlichen Aufbau der Prozess und Produktentwicklung und sieht auch zunehmend Elemente agiler Entwicklung vor. Von der Analyse über das System Design bis hin zur Implementierung und dem Testen der Systeme verläuft auch der Modulplan im Masterstudiengang Mobility Systems Engineering and Management.
Engineering Module
Das Engineering Modul 1 „Processes, Methods and Tools of Systems Engineering“ befindet sich nach dem V-Modell auf der Ebene der Analyse und des System Designs. Hier werden die Prozesse und Methoden vorgestellt und erprobt, die für das Systems Engineering wichtig sind.
Engineering Modul 2 „Systems Design“ beschäftigt sich anschließend mit den Technologien der E/E-Architektur. Diese werden im Modul vorgestellt und konzeptionell beschrieben.
In den Engineering Modulen 3 und 4 können sich die Studierenden auf einen Bereich spezialisieren. Entweder auf die Funktionen des ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) oder den Bereich der E-Mobility mit ihren technologischen sowie politischen Herausforderungen und Schwerpunkten. Diese beiden Module überschneiden im V-Modell das System Design, das Component Design sowie die Implementierung der Systeme.
Die System Integration und Validierung beinhaltet anschließend die Qualitätssicherung sowie das Testen der Systeme und bildet somit die Schnittstelle zwischen Implementierung und Testung.
Das System im übergeordneten System
Im Rahmen des Seamless Process lässt sich der Systems Engineering Ansatz auch auf das V-Modell übertragen. Das V-Modell organisiert den Entwicklungsprozess in einzelne Phasen.
Die Realisierung und die Software bilden demzufolge die untere Spitze des V-Modells. Ab dem Punkt der Validierung verläuft das V im Anschluss nach oben.
Der neue Aspekt an diesem Seamless Prozess ist die Darstellung des Fahrzeugs als System im übergeordneten System (System of Systems). Durch die Öffnung des Fahrzeuges und die damit einhergehenden neuen Technologien und Systeme wird das V sozusagen kontinuierlich durchlaufen, was durch die Spiraldarstellung des Seamless Prozess verdeutlicht wird.
Der Masterstudiengang Mobility Systems Engineering and Management bietet für die Gesamtheit des Systems Engineerings eine exzellente Qualifikation. Es wird ein Verständnis für die Gesamtheit des Prozesses und des Ingenieurwesens im Mobilitätssektor generiert. Der Studiengang in seiner berufsbegleitenden Form vertritt eine Kultur des lebenslangen Lernens. In Zeiten des stetigen digitalen und technologischen Wandels ist es von fundamentaler Bedeutung, dass sich auch die Expertise sowie die Kompetenz der Mitarbeitenden eines Unternehmens kontinuierlich weiterentwickelt und an die äußeren Umstände anpasst. Durch die stetige Weiterentwicklung bleiben die Aufgabengebiete und Projekte außerdem vielfältig und sorgen somit für einen abwechslungsreichen Arbeitseinsatz. Dieser Ansatz lässt sich gleichzeitig auf den Seamless Process anwenden, da auch dieser sich durchgehend wiederholt und ständig dazulernt und bietet somit einen idealen sowie sinnvollen Prozess für zukünftige Ingenieur*innen.