System-Denken in der Technik
21.12.08
Inhaltsverzeichnis:
1. Einleitung / Begriffsbestimmung: 3
1.1. Begriffsbestimmung System 3
1.2. Begriffsbestimmung Technik 3
1.3. Was ist ein System? 3
2. Technische Systeme: . 5
2.1. Computersysteme . 5
2.2. Betriebssysteme . 6
2.3. Mechatronik 7
3. Fehler in technischen Systemen 7
3.1. „Apollo 13“ 8
4. Epilog 9
5. Quellen 10
1. Einleitung
Bevor wir uns dem Thema „System-Denken in der Technik“ widmen, möchte ich auf die Begriffe System und Technik zunächst genauer eingehen.
1.1. Begriffsbestimmung System
Der Begriff System kommt aus dem Griechischen (σύστημα, altgriechische Aussprache sýstema, heute sístima) und bedeutet „Gebilde, Zusammengestellte, Verbundene“. Diese Definition wurde erstmals im 17. Jahrhundert verwendet und bedeutete „die gesamte Schöpfung, das Universum“.
Heutzutage beschreibt dieser Begriff eine Gesamtheit von Elementen die zueinander in Beziehung stehen. Einzelne Elemente ergeben somit ein System mit eigenen Eigenschaften.
1.2. Begriffsbestimmung Technik
Der Begriff „Technik“ kommt wie der Begriff „System“ aus dem altgriechischen (τέχνη [téchne]) und bedeutet „Fähigkeit, Kunstfertigkeit, Handwerk“. Technik wird in unterschiedliche Aspekte unterteilt. Wir einigen uns hier auf die Definition des Begriffes als Anwendung von Methoden und Prinzipien, um bestimmte Wirkungen erzielen zu können, da diese Beschreibung der Technik für das Thema „System-Denken in der Technik“ am nächsten kommt.
1.3. Was ist ein System?
Wie wir bereits zuvor festgestellt haben, besteht ein System aus mehreren Elementen, die zueinander in Beziehung stehen. Diese können materieller oder nichtmaterieller Natur sein und stehen meist in Ursache-Wirkungsbeziehungen zueinander. Rückkopplungen können erzeugt werden, was Paul Watzlawick mit seinem berühmten Beispiel des streitenden Ehepaars veranschaulicht: Der Ehemann sagt: „Ich gehe in die Kneipe, weil sie dauernd meckert und nörgelt.“ und die Frau sagt: „Ich meckere und nörgle, weil er dauernd in die Kneipe geht.“ Daraus lässt sich erkennen, dass Beziehungen in einem System sehr wichtig sind, denn ohne sie würde das System nicht funktionieren und nur eine Anhäufung von Elementen sein, die nicht in Verbindung stehen.
Somit bildet ein System ein abgrenzbares Ganzes, das eine eigene „Identität“ und einen bestimmten Zweck hat. Nach dieser Erkenntnis können wir also auch Systemgrenzen definieren, die sowohl materieller als auch nichtmaterieller Art sein können und welche ein System von der Umwelt abgrenzen. Um so eine Grenze ziehen zu können, ist die folgende Frage nötig: „Was gehört dazu und was nicht?“ Durch diese Frage lässt sich ein fundamentales Prinzip ableiten, das uns zeigt, dass wir versuchen unsere Welt zu erkennen und diese in Ordnung zu bringen.
Des Weiteren entstehen neue Kategorien von Systemen, die ineinander verschachtelt sind (Supersystem, Obersystem, Subsystem). Die zeitliche Dynamik ist auch ein wesentlicher Aspekt in einem System und wird meist von Kreislaufprozessen bestimmt. Wir sehen nun, dass Systeme im Wesentlichen durch ihre Struktur bestimmt werden.
Die nächste Unterscheidung, die getroffen werden muss, ist der Unterschied zwischen geschlossenen und offenen Systemen. Diese werden durch ihre Wechselwirkung zur Umwelt beschrieben. Ein geschlossenes System hat keine Wechselwirkung mit der Umwelt während jedoch ein offenes System an definierten Schnittstellen, die als Input und Output bezeichnet werden, eine Wechselwirkung zur Umwelt hat.
Ein Beispiel für ein geschlossenes System ist das national ökonomische Modell ohne Außenwirtschaft. Man muss aber beachten, dass ein abgeschlossenes System nicht mit einem geschlossenen System gleichgesetzt werden darf. Ein abgeschlossenes System hat überhaupt keine Wechselwirkung mit der Umwelt, aber ein geschlossenes System hat die Möglichkeit Energie mit der Umwelt auszutauschen.
Zum Beispiel ist ein Druckkochtopf ein geschlossenes System weil diesem über die Herdplatte Energie zugeführt wird. Wir werden uns aber in dieser Arbeit mehr den offenen Systemen widmen, da diese in der Technik verwendet werden. Ein gutes Beispiel dafür ist ein Betriebssystem, denn dieses benutzt eine große Anzahl von Schnittstellen, um mit der Hardware beziehungsweise mit der Software zu kommunizieren.
Zum Abschluss soll nochmal kurz auf die Frage eingegangen werden: „Wozu gibt es ein System?“, um die kurze Beschreibung von Systemen zu beendeten:
Selbsterhaltung: Biologische oder soziale Systeme sind Grundbedürfnisse wie essen, trinken, schlafen und Kommunikation.
Aufrechterhaltung eines stabilen Zustandes: Ein sehr gutes Beispiel dafür ist der Blutkreislauf der dafür sorgt das alle Körperteile immer mit ausreichend Blut versorgt werden.
Fortpflanzung und Vermehrung sind essenzielle Funktionen von biologischen und sozialen Systemen, welche für den Fortbestand von Lebewesen sorgen.
Sicherheit und Schutz: Systeme sorgen zum Beispiel beim Autofahren durch ABS und Gurt für Sicherheit und Schutz bei Unfall, aber auch ökonomische Systeme wie Krankenkassen sorgen für Schutz und Sicherheit.
Zur Bereitstellung von Dienstleistungen benötigt man auch eine Vielzahl an Systemen. (Fernsehen, Zeitung)
Stiftung von „Sinn“: Diese Form von System tritt bei sozialen Gruppen auf und kreiert dadurch eine Gruppe, die ein gemeinsames Interesse hat.
Nach dieser kurzen Beschreibung möchte ich nun wieder auf unser Hauptthema zurückkommen. Der Begriff System ist mittlerweile in der Technik heimisch geworden. Wie folgende Beispiele zeigen, wird dieser Begriff sehr oft als Beschreibung verwendet:
· Computersystem
· Betriebssystem
· Mechatronik
Doch nicht nur in der Technik finden Systeme ihre Heimat, sondern auch in der Wirtschaft, Politik oder in vielen anderen Fachrichtungen. In dieser Arbeit soll sich auf das Thema „System-Denken in der Technik“ beschränkt werden und anhand von drei Beispielen unterschiedliche technische Systeme präsentiert werden.
2. Technische Systeme
Ein technisches System ist das systemtheoretische Modell eines vom Menschen geschaffenen oder gedachten künstlichen Gegenstandes.
Das technische System ist ein Modell eines real in Raum und Zeit existierenden Gegenstands. Laut Günther Ropohl, der diesen Begriff in die Wissenschaft einführte, werden technische Systeme in drei unterschiedliche Kategorien von Ein- und Ausgabegrößen unterteilt. Diese Größen sind Energie, Materie und Information welche mit der Umwelt in Wechselwirkung stehen und somit die Schnittstelle zur Außenwelt bilden.
Diese Systeme können aber auch über innere Zustände verfügen, die mit einer Eingangsgröße arbeiten und danach eine definierte Ausgangsgröße wieder ausgeben. Grundsätzlich kann man sagen, dass alles, was folgende Eigenschaften besitzt und in der Technik verwendet wird als technisches System bezeichnet werden kann:
· es hat einen Ein- und Ausgang
· es erfüllt eine Funktion, bei der Ein- und Ausgangsgrößen miteinander verknüpft werden
· es interessiert nur die Gesamtaufgabe und nicht die Einzelaufgaben, die innerhalb des Systems gelöst werden.
2.1. Computersystem
Unter einem Computersystem, Computer oder Rechner ist ein Apparat gemeint, der Daten mit Hilfe programmierbaren Rechenvorschriften verarbeiten kann. Der Begriff Computer leitet sich von dem englischen Wort „compute“ ab, das „rechnen“ bedeutet. In den Anfängen wurde der Computer als „Taschenrechner“ verwendet, da es vorerst nur möglich war, mathematische Berechnungen durchzuführen.
Doch mit zunehmender Leistungsfähigkeit der Systeme eröffneten sich neue Möglichkeiten für Computersysteme. Ein Rechner besteht heutzutage mindestens aus folgenden Komponenten, die somit ein Teil (Element) des Systems werden: CPU (Central Processing Unit), Motherboard (Mainboard), RAM-Speicher (Random Access Memory), HDD (Hard Disk Drive, Festplatte) und weitere Peripheriegeräte, wie zum Beispiel DVD-Laufwerk usw.
Es wurde bereits in der Einleitung erwähnt, dass sich Systeme ineinander verschachteln können. Das ist bei einem Computer sehr stark ausgeprägt. Wenn man einzelne Elemente eines Rechners betrachtet, sieht man sehr schnell, dass es sich wieder um eigene Systeme handelt, wie zum Beispiel die CPU. Sie ist, wenn man so möchte, das Herz eines Computersystems und ist für die Rechenaufgaben zuständig.
Somit ist eine CPU nichts anderes als ein offenes System, denn es werden dem System zunächst Daten zugeführt und danach intern verarbeitet und wieder ausgegeben. Diese Ein- und Ausgabe findet an so genannten Schnittstellen statt und ein Processor besitzt eine sehr große Anzahl von solchen Schnittstellen, um mit der Flut an Daten, die übergeben werden, rechtzeitig fertig zu werden und um diese wieder zurückgeben zu können.
Doch nicht nur die CPU hat Schnittstellen, jede Steckkarte (Grafikkarte, usw.) besitzt Schnittstellen und ist somit wieder ein eigenes offenes System. Nun sehen wir, dass ein Computer eigentlich ein Obersystem (Supersystem) ist, da sich darunter unzählige weitere Systeme befinden, die einem Rechner erst die Funktionalitäten geben, die heutzutage möglich sind.
Wir haben uns bis jetzt nur mit der Hardware eines Computers auseinandergesetzt. Diese ist zwar im Endeffekt für die Datenverarbeitung zuständig, doch müssen wir noch bedenken, dass unsere Subsysteme (CPU, usw.) elektrische System sind und mit binären Signalen (0 und 1, man könnte auch sagen: Ein und Aus) miteinander kommunizieren.
2.2. Betriebssystem
Der Name Betriebssystem ist die deutsche Übersetzung des ursprünglichen englischen Namens „Operating System“ (OS). Dieser Ausdruck zeigt uns auch gleich den Sinn, den so ein System verfolgt. Wie wir bereits zuvor erläutert haben, ist das Betriebsystem notwendig, um einen Computer so zu bedienen wie wir es gewohnt sind. Ein Betriebssystem ist verantwortlich für die Verwaltung von Speicher, Ein-/Ausgabegeräten und natürlich für die Steuerung von Programmen.
Bei den Computersystemen hatten wurde bereits festgestellt, dass es unterschiedliche Elemente und Subsysteme in einem System gibt. Folglich ist diese Tatsache auch auf Betriebsysteme umzulegen. Wie ein Computersystem aus einzelnen Elementen, wie zum Beispiel CPU, besteht, so besteht auch ein Operating System aus unterschiedlichen Element wie: Kernel, dieser Teil des Betriebssystem ist für die Verwaltung der Hardware zuständig.
Desweiteren gibt es noch Systemkomponenten wie Gerätetreiber, Systemdienste und das Bediensystem, das die Schnittstelle zum Benutzer bereitstellt. Jeder einzelne Teil dieses Betriebssystems hat spezielle Funktionen und besitzt eigene Schnittstellen, um miteinander zu kommunizieren.
Nachdem wir dem ersten System (Bediensystem), auch als „Schicht“ bezeichnet (1. Schicht), Input gegeben haben, erfolgt der interne Bearbeitungsprozess und kommt danach als Output wieder heraus, um es den Nächsten in der Reihe als Input zur Verfügung stellen zu können. Diese Wiederholung von Ein- und Ausgabe erfolgt solange, bis der Text, den wir getippt haben, auf dem Bildschirm auftaucht.
Daher ist das Betriebssystem genauso essentiell wie das Computersystem, denn erst dieses stellt uns folgende Funktionen bereit:
- Benutzerführung
- Laden und Unterbrechung von Programmen
- Verwaltung der Prozessorzeit
- Verwaltung des Speicherplatzes für Anwendungen
- Verwaltung der angeschlossenen Geräte.
Somit könnte man wieder ein neues System definieren, denn für die Bedienung von einem Computer sind zwei Systeme notwendig, die ohne einander nicht die gleichen Funktionen hätten. Deshalb können wir nun ein Betriebssystem und ein Computersystem als einzelnes Element, oder besser gesagt, als Subsystem, betrachten. Das gesamte System repräsentiert wieder ein offenes System und bekommt den Input meistens von einem Menschen, welcher den Output des Systems an einer der Komponenten erwartet.
Im folgenden soll nun noch ein System aus einer etwas anderen Disziplin vorgestellt werden, auch wenn dieses mit den Vorangegangenen eigentlich verwandt ist. Unter Mechatronik versteht man die Zusammenwirkung von mechanischer, elektronischer und informationstechnischen Elementen und Modulen, deshalb nennt man es auch ein mechatronisches System.
Dieses Feld ist durch die unterschiedlichen Einflüsse aus den drei Hauptfächern sehr interdisziplinär und daher prädestiniert für ein offenes System. Auch hier haben wir in den meisten Anwendungen dieser Technik drei unterschiedliche Elemente und somit auch unterschiedliche Eigenschaften. Ohne definierte Beziehungen (Verbindungen) dieser Richtungen würde somit keine Interaktion stattfinden.
Dies würde natürlich dazu führen, dass keine Wechselwirkungen entstehen und das System als ungeordnetes Ganzes mit keiner Funktion verbleibt. Doch Mechatronik ist genau diese Richtung, die versucht, durch interdisziplinäre Arbeit neue Systeme zu definieren. Wenn wir nun ein solches System betrachten, fallen uns sofort wieder die Hauptpunkte auf, die ein technisches System haben muss:
3. Fehler in technischen Systemen
Wie wir bereits mehrmals gesehen haben, hat jedes System Grenzen, die auch als Systemgrenzen bezeichnet werden. Damit ein System reibungslos funktioniert, sollten diese nicht überschritten werden. Denn dadurch können unvorhergesehene Effekte erzeugt werden, die wir als Fehler in technischen Systemen bezeichnen. Doch nicht nur die Missachtung von solchen Grenzen kann Probleme erzeugen, sondern auch die schlechte Wartung.
Bei technischen Systemen ist es grundsätzlich momentan noch so, dass diese von Menschen gewartet und betreut werden. Deshalb sind die Ingenieure oder Techniker, die dafür zuständig sind, verantwortlich, wenn es Probleme gibt. Leider ist der Mensch nicht perfekt und deswegen werden meistens Systemfehler aufgrund von menschlichen Versagen erzeugt. Bei sehr komplexen Systemen mit einer unheimlich großen Anzahl von unterschiedlichen Elementen ist es verständlich, dass Fehler entstehen können, weil dem Mensch einfach ab einem gewissen Grad der Durchblick fehlt.
Nun wird ein System vorgestellt, das in der Vergangenheit versagt hat: „Apollo 13“
3.1. „Apollo 13“
„Apollo13“ ist eine der berühmtesten Raumfahrtkatastrophen, denn in diesem speziellen Fall konnte die Besatzung gerettet werden. Diese Mission gehörte zu dem amerikanischen Apollo-Programm und das ursprüngliche Ziel dieser war eine bemannte Landung auf dem Mond. Doch unglücklicherweise kam es nie zur Landung der Raumkapsel.
Der „Apollo 13“ Start erfolgte am 11. April 1970 in Cape Canaveral. Nur kurze Zeit nach dem Start zeigte sich bereits ein Problem mit dem mittleren Triebwerk, welches sich nämlich zu früh abschaltete. Die Flugleitung konnte diesen Fehler mit den weiteren Triebwerken kompensieren und somit zumindest vorerst mit nur geringer Abweichung die Rakete weiter fliegen lassen.
Die Katastrophe passierte erst 55 Stunden und 54 Minuten nach dem Start. „Apollo 13“ hatte bereits eine Entfernung von 300 000 Kilometer von der Erde, als einer der Sauerstofftanks der „Odyssey“, kurz nachdem dieser in Betrieb genommen wurde, explodierte. („Odyssey“ wurde das Kommando-/Servicemodul genannt.) Die Explosion riss ein Leck in einen weiteren Sauerstofftank, der für die Strom- und Wasserversorgung zuständig war, wodurch die lebenserhaltenden Systeme in der „Odyssey“ nicht mehr brauchbar waren.
Aufgrund dieses Zwischenfalls konnte die Mission nicht mehr wie geplant durchgeführt werden und die Rakete wurde nur um den Mond geschickt, um wieder auf die Erde zurückkommen zu können. Kurz vor dem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre wurde die „Odyssey“ wieder bestiegen und für den Eintritt klar gemacht. Wie durch ein Wunder wurde bei dieser Katastrophe keiner verletzt.
Es wurde am Anfang vermutet, dass der Grund der Explosion ein gebrochenes Kabel im Sauerstofftank war. Doch die wirkliche Ursache war ein Kurzschluss des Thermostats und eine Kette von Versäumnissen und Fehleinschätzungen. Zum einen wurde die Baugruppe der Sauerstofftanks verändert und es wurde vergessen die Thermostate dieser anzupassen. Desweiteren gehörte der Sauerstofftank des Servicemoduls der „Apollo 13“ eigentlich zur „Apollo 10“.
Dieser wurde nachträglich verändert und rutschte beim Ausbauen vom Montagehaken. Der Tank stürtzte nur fünf Zentimeter und deshalb wurde angenohmen das dem Tank nichts passiert sei. Auch beim Countdown-Demonstrationstest wurde der Defekt nicht bemerkt. Aufgrund unterschiedlicher Baukomponenten, die nicht zueinander kompatible waren, und Mängeln bei der Überprüfung, entstand diese Katastrophe.
Weitere Beispiele für technische Fehler in Systemen sind zum Beispiel Tschernobyl oder andere missglückte Raumfahrten. Doch diese Beispiele sind natürlich sehr extrem, um zu veranschaulichen, wo solche Probleme auftreten können und welche Folgen diese haben können.
4. Epilog
Nachdem wir nun unterschiedliche Systeme betrachtet haben und auch die Folgen eines Systemfehlers anhand eines Beispiels gesehen haben, können wir uns nun ein bessers Bild machen, wie komplex manche Systeme sein können und was Probleme in Systemen verursachen können. Nach unserer Definition von Systemen, sehen wir, dass eigentlich ein Großteil der Dinge, die wir tagtäglich benutzen, einen Teil eines Obersystems oder eines Supersystems ist.
Somit ist die Definition, die im 17. Jahrhundert formuliert wurde und „die gesamte Schöpfung, das Universum“ bedeutet, eigentlich nicht falsch. Damals wurde somit das größte aller Systeme beschrieben und wir haben uns diesen Ausdruck zunutze gemacht, um weitere kleinere Systeme zu beschreiben, da uns somit die Beschreibung von Elementen, die untereinander eine Beziehung haben, leichter fällt.
- Die Grenzen eines Systems respektieren.
- Da wir die Schöpfer von technischen Systemen sind, versuchen wir diese immer so gut wie Möglich zu testen und zu warten. Damit wird gewährleistet, dass das System seine Grenzen einhalten kann.
Somit liegt es wieder an uns, die technischen Systeme soweit zu perfektionieren, das wir mit keinen Katastrophen oder anderen Pannen rechnen müssen. Man sollte aber immer bedenken, das, wir nicht 100% fehlerfrei arbeiten.
5. Quellen
Literatur:
Ossimitz, Günther und Lapp
Das Metanoia Prinzip: Eine Einführung in systemgerechtes Denken und Handeln Franzbecker Verlag 2006
ISBN 978-3-88120-423-1
Heinz Peter Gumm und Manfred Sommer
Einführung in die Informatik
Oldenbourg Verlag München Wien 2004
ISBN 3-486-27389-2
Links:
„System“ abgerufen am 19.12.08
„Technik“ abgerufen am 19.12.08
„Technisches System“ abgerufen am 19.12.08
„Computersystem“ abgerufen am 20.12.08
„Betriebssystem“ abgerufen am 20.12.08
„Mechatronik“ abgerufen am 20.12.08
„Apollo 13“ abgerufen am 21.12.08