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Main Title: Methodik zur modellbasierten Systemarchitekturdefinition von Smart-circular Product-Service Systems
Translated Title: Methodology for model-based system architecture definition of Smart-circular Product-Service Systems
Author(s): Halstenberg, Friedrich Andreas
Advisor(s): Stark, Rainer
Referee(s): Stark, Rainer
Bender, Beate
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/16552
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-15329
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Abstract: Induziert durch Digitalisierung und Servitisierung bieten Unternehmen in zunehmendem Maße Systeme aus vernetzten mechatronischen Produkten, Software und Dienstleistungen an: sogenannte Smart Product Service Systems (Smart PSS). Zur Erfüllung der Sustainability Development Goals der Vereinten Nationen, insbesondere des Ziels 9 „nachhaltiger Konsum und Produktion“, müssen diese Systeme gemäß dem Leitbild einer Circular Economy (CE) gestaltet werden. Smart-circular PSS verfolgen nachhaltige Geschäftsmodelle und verstärken Strategien der CE durch datengetriebene Funktionen. Die Entwicklung dieser Systeme stellt Unternehmen vor große Herausforderungen. Ungeklärt ist bislang, wie Teams bei der Entwicklung von Smart-circular PSS sachgerecht methodisch unterstützt werden können. Diese Arbeit begegnet diesen Beobachtungen mit der Forschungshypothese, dass sich Systemarchitekturen von Smart-circular PSS durch geeignete Methoden des Modellbasierten Systems Engineerings (MBSE) so entwerfen lassen, dass die Systeme effektiv und effizient zu einer CE beitragen. Zu ihrer Verifizierung wurde als übergeordneter Forschungsansatz die Design Research Methodology (DRM) angewendet. Zunächst erfolgte die Forschungsklärung mithilfe von Expert*innenworkshops sowie durch eine MBSE-Reifegradanalyse in einem industriellen Unternehmen. Die hier identifizierten Handlungsfelder wurden mittels Systematischen Literaturanalysen (SLRs) abgesichert und ausgewählt. Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen wurde die Methodik zur Definition von Smart-circular PSS-Systemarchitekturen (MESSIAH) entwickelt, die Entwicklungsteams bei der Konzeptionierung von Smart-circular PSS unterstützt. Die Methode beinhaltet eine Modellierungsgenerik, eine gerichtete Methode sowie einen Baukasten zum schnellen Prototypisieren von Services. MESSIAH wurde mithilfe einer Comprehensive Descrip-tive Study anhand von fünf Studien evaluiert. Die Forschungshypothese konnte im Rahmen der Evaluierung verifiziert werden. Somit zeigt diese Arbeit erstmals Wege auf, wie Strategien der CE mithilfe des MBSE bei der Entwicklung von Smart-circular PSS Systemarchitekturen berücksichtigt werden können. MESSIAH ermöglicht die Modellierung einer interdisziplinären Systemarchitektur, die mechatronische Produkte, Software und Dienstleistungen integriert. Zur Modellierung von CE-relevanten Services wurden zwei neue prozessorientierte Modelltypen erfolgreich mit bestehenden Modellierungstechniken des MBSE kombiniert. Durch die Evaluierungsstudien konnte ein zufriedenstellender Stand der Akzeptanz und wahrgenommenen Nützlichkeit der Methodik nachgewiesen werden. Allerdings wurden Verbesserungspotentiale hinsichtlich ihrer Benutzbarkeit festgestellt. In weiterer For-schung wird es vonnöten sein, die Qualität und die Quantität der Anwendungsvalidierungen zu erhöhen. Zu diesem Zweck wird die Durchführung von Langzeitstudien sowie Anwendungen an industriellen Systemen in einem weiteren Einsatzspektrum und in weiteren Branchen empfohlen.
In response to calls for digitization and servitization, businesses increasingly offer complex systems consisting of connected mechatronic products, software elements and services: so-called Smart Product-Service-Systems (Smart PSS). In order to meet the United Nations Sustainability Development Goals and in particular Goal 9 "Sustainable Consumption and Production", these systems must be compatible with the tenets of a Circular Economy (CE). The development of these systems presents businesses with major challenges. It remains unclear how engineering teams can be supported methodologically in developing Smart-circular PSS. This dissertation meets these challenges with the research hypothesis that suitable methods of Model-based Systems Engineering (MBSE) can aid in the development of Smart-circular PSS architectures, which effectively and efficiently contribute to a CE. The investigation applies Design Research Methodology (DRM) as an overarching research approach for hypothesis verification. Initially, expert workshops and an MBSE maturity analysis in an industrial enterprise served to clarify the research objective. Systematic Literature Reviews (SLRs) validated and detailed the fields of action identified. Based on the findings, the Methodology for Smart-circular PSS Architecture Definition (MESSIAH) was developed, which supports development teams in the design of Smart-circular PSS. The method includes a modeling framework, a method and a construction kit for prototyping services. MESSIAH was evaluated by means of a Comprehensive Descriptive Study based on five evaluation studies. The evaluation verified the research hypothesis. Consequently, this research explores how the development of Smart PSS with the help of MBSE can be useful to CE-strategies. MESSIAH enabled the management of system complexity by using an interdisciplinary system architecture that integrates the development of mechatronic products, software and services. In order to de-velop CE-relevant services, two new types of models were successfully integrated into existing modelling techniques of MBSE. User studies indicated a satisfactory level of user acceptance and perceived usefulness of the methodology, but also served to identify potential for improve-ment with regard to its ease of use. In further research it will be necessary to increase the quality and quantity of application validations in further application scenarios and other industry branches. For this purpose, the dissertation recommends long-term studies and applications on further industrial systems.
Subject(s): Kreislaufwirtschaft
Systems Engineering
Produkt-Service-System
Systementwicklung
Nachhaltigkeit
circular economy
systems engineering
product-service system
system development
sustainability
Issue Date: 2022
Date Available: 29-Mar-2022
Exam Date: 15-Nov-2021
Language Code: de
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
TU Affiliation(s): Fak. 5 Verkehrs- und Maschinensysteme » Inst. Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb » FG Industrielle Informationstechnik
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