Mit Circular Systems Engineering zu mehr Nachhaltigkeit

Nachhaltigkeit ist eines der Themen, für das Systems Engineers zwar verantwortlich sind, welches aber dennoch oft eher stiefmütterlich und nachgelagert behandelt wird. Das wird sich mit Sicherheit ändern, denn die Bedeutung von Nachhaltigkeit wird weiter steigen. Daher habe ich schon länger nach neuen Ansätzen zur Nachhaltigkeit ausschau gehalten.

Das im Software and Systems Modeling Journal veröffentlichte Paper „Circular Systems Engineering“ füllt diese Lücke. Was das genau ist und wie es in der Praxis hilft, darum geht es im Folgenden.

Nachhaltigkeit im Systems Engineering

Nachhaltigkeit hatte ich in diesem Blog schon mehrfach behandelt. Auf dem TdSE 2023 war es sogar das Thema der Keynote. Insofern ist es nicht verwunderlich, dass die Forschung das Thema aufgreift.

Das hier beschriebene Paper von Istvan David, Dominik Bork, Gerti Kappel befasst sich mit einem innovativen Ansatz zur Förderung der Nachhaltigkeit in technischen Systemen. Es führt das Konzept des „Circular Systems Engineering“ ein, ein Paradigma, das die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft auf das Systems Engineering überträgt. Was bedeutet das konkret?

Ziel ist von Circular Systems Engineering ist es, den Wert eines Systems über alle Lebenszyklen hinweg zu erhalten und so Umweltbelastungen zu minimieren und nachhaltige Entwicklungsziele (SDGs) zu unterstützen.

Den Wert eines Systems zu maximieren ist natürlich nicht neu. Neu ist, dass auch die Umweltbelastungen explizit bewertet werden.

Vier Dimensionen: Wirtschaftlichkeit, Ökologie, Soziales und Technisches

Nachhaltigkeit wird im Paper als vierdimensionales Modell beschrieben, bestehend aus wirtschaftlichen, ökologischen, sozialen und technischen Aspekten. Während technologische Systeme typischerweise wirtschaftlichen und technischen Anforderungen gerecht werden, bleiben ökologische und soziale Dimensionen oft unbeachtet. Die Autoren argumentieren, dass ein Paradigmenwechsel notwendig ist, um eine umfassende Nachhaltigkeit zu erreichen. Systeme sollen so gestaltet werden, dass sie nicht nur ihre Funktion erfüllen, sondern auch ökologische und gesellschaftliche Verantwortung tragen.

Software, Daten und KI-Modelle sind energieintensiv und werden traditionell wenig beachtet

Ein zentrales Konzept des Circular Systems Engineering ist die Wertbewahrung über den gesamten Lebenszyklus eines Systems hinweg. Dies umfasst sowohl physische Werte, wie Rohstoffe und Energie, als auch digitale Werte, wie Software, experimentelle Daten und KI-Modelle. Die Verwertung digitaler Ressourcen ist besonders wichtig, da deren Entwicklung oft energieintensiv ist und sie im traditionellen Kreislaufwirtschaftsmodell wenig Beachtung finden. Die Autoren betonen, dass durch zirkuläre Strategien, wie die Wiederverwendung von Software-Architekturen und Experimentdaten, sowohl ökonomische als auch ökologische Nachhaltigkeit gefördert werden kann

Was ist „Zweigleisige Nachhaltigkeit“?

Das Paper beschreibt zwei zentrale Prinzipien: End-to-End-Nachhaltigkeit und „Bipartite Sustainability“, also zweigleisige Nachhaltigkeit. Ersteres erfordert eine durchgehende Betrachtung der Nachhaltigkeit über den gesamten Entwicklungsprozess, von der ersten Entwurfsidee bis zur Außerbetriebnahme des Systems. Es werden Techniken wie Systems Thinking und Multi-View Modeling vorgeschlagen, um die Komplexität zu bewältigen und Nachhaltigkeit in allen Phasen zu verankern. Das ist nicht wirklich neu.

Bipartite Sustainability betont die Notwendigkeit, dass nicht nur die Systeme, sondern auch die Methoden und Werkzeuge, die zu deren Entwicklung eingesetzt werden, nachhaltig sein müssen. Besonders digitale Technologien, wie Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen, erfordern Optimierungen, um ihre hohen ökologischen Kosten zu minimieren. Im Paper wird aufgezeigt, wie die Entwicklung energieeffizienter Algorithmen und Hardware zur Erreichung nachhaltiger Entwicklungsziele beiträgt.

Reifegradmodell und Entwicklungspfade zum Circular Systems Engineering

Die Autoren schlagen ein Reifegradmodell vor, das verschiedene Stufen der Nachhaltigkeit im Systementwicklungsprozess beschreibt, angefangen von traditionellen Methoden, die sich auf Qualität und Kosten konzentrieren, bis hin zur zirkulären Systems Engineering, das umfassende Nachhaltigkeitskriterien integriert. Die Pfade zur Weiterentwicklung umfassen:

1. Operational-Excellence-getriebene Entwicklung: Fokussiert auf die Optimierung des gesamten Wertschöpfungsprozesses vor der Einführung nachhaltiger Maßnahmen.
2. Nachhaltigkeits-getriebene Entwicklung: Setzt den Fokus auf Nachhaltigkeitsstandards und erweitert dies schrittweise auf die Ingenieursprozesse.
3. Iterative-inkrementelle Entwicklung: Balanciert zwischen End-to-End- und Nachhaltigkeitsaspekten und erlaubt flexible Anpassungen entsprechend den spezifischen Anforderungen des Systems.

Grundsätzlich bin ich ein Freund von Reifegradmodellen, da diese es ermöglichen, Fortschritt zu messen. Das setzt voraus, dass diese leichtgewichtig und praxistauglich sind.

Circular Systems Engineering in der Praxis

Das klingt erst mal schön, aber wie können wir das in der Praxis umsetzen? Eine Herausforderung ist die Komplexität der Nachhaltigkeitsbewertung. Ein Weg dorthin ist der Einsatz von digitaler Zwillinge, die den gesamten Lebenszyklus eines Systems abbilden, interoperable Modelle, die Daten aus verschiedenen Quellen verarbeiten und Nachhaltigkeitsentscheidungen unterstützen können. Da sind wir wieder bei meinem Lieblingsthema, MBSE.

Im Moment erscheint mir das Paper geeignet, das Umdenken in Unternehmen zu unterstützen. Ob sich die Begriffe „Circular Systems Engineering“ und „Bipartite Sustainability“ dabei durchsetzen, wage ich zu bezweifeln. Aber die Denkrichtung stimmt.