System Engineering, een renaissance

In een eerdere blog sprak ik over de levenscyclus van (informatie-) producten en het feit dat het vanaf het begin goed vastleggen van productdata een ‘sine qua non’ is voor adequaat en levenslang beheer van dat (informatie-) product. Dat vraagt een open datamodel waar alle data, informatie, relaties en afhankelijkheden gestructureerd in kunnen worden geplaatst. Om deze productdata met derden te kunnen uitwisselen, zijn afgelopen decennia diverse afsprakenstelsels en standaarden ontwikkeld zoals STEP: the Standard Exchange for Productdata.

IDEF

In de jaren zeventig startte de US AirForce een project om digitale productdata gestructureerd in een productieproces te kunnen toepassen. Dit ICAM-initiatief (Integrated Computer-Aided Manufacturing) leidde voor systeem en software engineering tot de modeleertaal IDEF. De afkorting staat voor Integration Definition Language en is gebaseerd op de standaard SADT: Structured Analysis and Design Technique. Hiermee kon een breed toepassingsgebied worden afgedekt: van functioneel modelleren tot simulatie en van object-georiënteerde analyse tot kennis-acquisitie. Deze standaarden werden al snel door de defensie- en later door de civiele industrie geadopteerd, waardoor zij de facto het standard procesanalyse gereedschap werden.

Na IDEF 0 voor procesmodellering ontstond IDEF 1 voor data modelering van semantische datamodellen. Hierdoor konden informatieproces en dataproduct worden gekoppeld en databases worden gebouwd. Dit was het startschot voor een heel stel IDEF-gereedschappen die onder opeenvolgende nummers werden ontwikkeld tot IDEF 14 aan toe. Zo ontstond in de jaren tachtig van de vorige eeuw een gestructureerd afsprakenstelsel voor digitale procesdata- en productdata-ontwikkeling. Hieruit kwamen vervolgens talen en interfaces voor heterogene computing omgevingen uit voort zoals bijvoorbeeld Java en JDBC.

Boekhouden

Het managen van product- en procesdata is een vorm van boekhouden. En het is soms net zo saai. Je moet het waarom, het wat, het hoe en vooral het door, voor en met wie gestructureerd vastleggen. Waarom is het product, proces, onderdeel, document en de beschrijving, test en toepassing nodig? Een simpele vraag die vaak lastig te beantwoorden is. Vervolgens komt de vraag welke functies moeten worden uitgevoerd, welke eisen hierop van toepassing zijn en welke acties daarbij horen. Hoe ga je dat testen en bijbehorende risico’s beheersen? Welke interfaces zijn nodig en hoe past het betreffende (sub)systeem in het hogere ecosysteem?

In de nieuwe wereld van edge-computing en IoT zijn we de fysieke wereld intelligent aan het maken met digitale techniek. Steeds vaker zullen we gestructureerd slimme subsystemen samenbouwen tot grotere ecosystemen. Denk aan slimme steden, wijken, huizen en nieuwe samenwerkingsverbanden. System Engineering is het vakgebied dat ooit in de complexe kapitaalgoederenindustrie is ontstaan, maar ook nodig zal zijn om deze nieuwe decentrale digitalisering gestructureerd te kunnen beheren. De complexiteit van de ons omringende systemen neemt kwadratisch toe. Dingen worden slim en kunnen automatisch contact met elkaar zoeken. Hoe gaan we dat – vooraf en gedocumenteerd – managen en vastleggen?

Systems Engineering

Het vakgebied systeemkunde ontstond toen eind jaren vijftig de ruimtevaarttechniek opkwam. Een satelliet de ruimte insturen vraagt vooraf nadenken over de gehele levensduur, want je kunt niet even een monteur sturen om een probleem op te lossen of een reservedeel te monteren. Dit vraagt – naast technische – vooral ook organisatorische kennis. Dit vakgebied wordt internationaal aangeduid als Systems Engineering en was in het begin vooral een verzameling van handige gereedschappen om complexe systemen te kunnen ontwerpen, bouwen en beheren. Maar het werd steeds meer een vak waar systeemdenken, modelvorming, simulatie, ontwerpmethoden en (gezamenlijke) besluitvorming aan de orde kwamen.

We zien dat, door digitale transformatie, processen en diensten in de kern digitaal worden. Hierdoor is digitalisering niet langer een handige techniek voor toe te passen gereedschappen, maar wordt digitaal de kern van proces en product. Digitalisering treedt op een heel andere wijze systems engineering binnen! Niet meer als gereedschap, maar als te beheren proces zelf. Deze symbiose van systems engineering en ICT c.q. digitalisering leidt tot nieuwe innovatie op dat gebied. Hoe kunnen we nieuwe digitale producten voor een digitaal ecosysteem integraal ontwerpen, bouwen en decennia (en wellicht eeuwen) adequaat onderhouden?

Renaissance

System engineering was de afgelopen dertig jaar de heilige graal voor complex fysiek productontwerp, nu laat digitalisering van product en omgeving een renaissance van dit vakgebied zien. Hoe gaan we in die fysiek digitale wereld, die elkaar als yin en yang steeds inniger omarmen, die nieuwe complexiteit duiden en vastleggen? Hoe kunnen we zo een geïntegreerd proces en product op basis van taak, doel en structuur eenduidig vastleggen? Neem bijvoorbeeld hardware en software als geïntegreerde functie, interoperabel met zijn eveneens digitale omgeving, waarbij de taken van de ene component ook bijdragen aan de doelen van een andere component. Slimme systemen die elkaar kennen, begrijpen en kunnen samenwerken.

Deze nieuwe mogelijkheden bieden mooie kansen maar ook angstige faalmogelijkheden. De snelle ontwikkeling van machine learning, neurale netwerken, op big data gebaseerde deep learning en algoritme ontwikkeling geeft deze gedigitaliseerde wereld zowel kennis als actoren die ze zelfstandig zouden (!) kunnen gaan gebruiken. De faalkosten van projecten in complexe ecosystemen gaan enorm toenemen omdat niet alleen het aantal afhankelijkheden groeit, maar ook omdat elk systeem nog een eigen dynamische component krijgt. Dat leidt tot de behoefte aan enerzijds uitgebreide actuele data over de omgeving waar men dergelijke projecten wil ontwikkelen (situational awareness) en anderzijds nieuwe gereedschappen om die nieuwe dynamiek van het gecombineerde fysieke en digitale product te beschrijven en te beheren.

Nieuwe wereld, nieuwe gereedschappen

Net als vijftig jaar geleden vroegen innovaties zoals ruimtevaart om nieuwe gereedschappen om die ‘toen’ nieuwe projecten te kunnen managen. We zien opnieuw zo’n behoefte ontstaan nu onze fysieke wereld digitaliseert. Daarnaast geeft ook de energietransitie een extra dynamische component aan dat geheel. De komst van toevalstroom – slechts aanwezig als het waait of de zon schijnt – maakt onze elektriciteitsinfrastructuur niet alleen dynamischer, maar per saldo ook instabieler, onbetrouwbaarder en kwalitatief slechter.

Er is een – vooral politieke – wens om huidige fossiele energiedragers naar elektrische energiedragers te migreren. Daarmee gaan we de elektrische infrastructuur in eerste instantie op ongekende wijze (over)belasten, omdat uitbreiding van die infrastructuur eerder rekent in decennia dan in jaren. Complexe migraties en transities vragen nieuwe methoden, nieuwe afsprakenstelsels en vooral ook nieuwe gereedschappen. We gaan een uitdagende tijd tegemoet, want zonder die ondersteunende gereedschappen zal die gewenste transitie en migratie van zo’n complexe infrastructuur lastig te managen en uit te voeren zijn.

Door: Hans Timmerman, CTO Dell EMC Nederland