Systems Engineering zur Planung und Realisierung des Richard-Strauss- Tunnel, München

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1 Systems Engineering zur Planung und Realisierung des Richard-Strauss- Tunnel, München Ingo Treue 1 1 Rücker und Schindele GmbH, Kapellenweg 6, München, Ingo.Treue@runds.de Zusammenfassung: Dieser Beitrag stellt Nutzen und Anwendbarkeit des Systems Engineering in einem kleinen mittelständischen Unternehmen (KMU) im Bereich des Anlagenbaus vor. Dabei wird auf die Anforderungen der Auftraggeber an die Planungsprozesse und die konsequente Prozessorientierung im Ingenieurbüro eingegangen. Es wird eine Anpassung des V-Modells spezifisch für die Herausforderungen in Anlagenbauprojekten diskutiert. Am konkreten Beispiel des Richard-Strauss-Tunnel, München wird der Einsatz einzelner Methoden des Systems Engineering vorgestellt und der durch deren Anwendung entstehende Nutzen über den gesamten Projektverlauf bewertet. Die angewandten Methoden werden kritisch hinterfragt und Verbesserungspotenziale vorgestellt. Mit dem Hintergrund langjähriger Erfahrung in der Planung und Realisierung von Anlagenbauprojekten werden sowohl die Prozessorientierung als auch die Anwendung von Systems Engineering als wesentlicher Schlüssel zum Projekterfolg bei Planung und Errichtung komplexer Anlagen herausgearbeitet. Mit dem Beitrag werden sowohl der Anspruch an die Planungs- und Realisierungsprozesse im Anlagenbau als auch an die Vertragsgestaltung der Anlagenbetreiber formuliert. 1 Einleitung Anlagenbauprojekte sind sehr komplex. Neben der Vielzahl der technischen Schnittstellen und der Fülle an Funktionalitäten, ihrer Dekomposition und Verteilung wird die Komplexität auch maßgeblich durch die Vielzahl der Projektbeteiligten sowie durch die Präsenz, z.b. von Infrastrukturprojekten, in der Öffentlichkeit bestimmt. Darüber hinaus stellen sehr lange Systemlebenszyklen der Gesamtanlage und der gleichzeitige technologische Fortschritt und insbesondere die anhaltenden Innovationen im Bereich der Informations- und Sicherheitstechnik besondere Herausforderungen für die Umgestaltung einzelner Systemkomponenten im Anlagenbestand, oft sogar unter laufendem Betrieb, dar. Eine typische Besonderheit solcher Anlagenbauprojekte ist die Einzigartigkeit. So ist jede Anlage und damit auch das Projekt zur ihrer Planung und Errichtung ein Unikat. Um diesen hohen Anforderungen gerecht zu werden, eigenen sich die branchenübergreifend etablierten Prozesse und Methoden des Systems Engineering. Die organisationsübergreifende Ausrichtung der Planungs- und Realisierungsprozesse aber auch der weiteren Prozesse über den gesamten Lebenszyklus der spezifischen Anlage, stellt hierbei nicht nur eine zwingende Notwendigkeit sondern auch eine besondere Herausforderung dar. Insbesondere die organisationsübergreifende Definition dieser Prozesse wird heutzutage noch immer in einem unzureichenden Maß praktiziert und findet nur selten Eingang in die Verträge der Planer und Errichter. Im Folgenden wird zunächst auf die Definition der Planungsprozesse des Ingenieurbüros Rücker und Schindele und ihre Ausrichtung nach Systems Engineering eingegangen. Anschließend wird das Praxisbeispiel Richard-Strauss-Tunnel, München vorgestellt und der Einsatz einzelner Methoden des Systems Engineering in diesem Projekt betrachtet. 2 Prozessorientierung im Ingenieurbüro Als unabhängiges Ingenieurbüro bieten wir unseren Kunden im Anlagenbau Ingenieurdienstleistungen für das gesamte Spektrum der Technischen Ausrüstung im Anlagenbau, also von der Automatisierungs- und Leittechnik, der zugehörigen elektrotechnischen, informations- und kommunikationstechnischen Infrastruktur bis zur Ver- und Entsorgungstechnik an. Diese Leistungen lassen sich im Wesentlichen in zwei Bereiche gliedern: Projektmanagement Ingenieurdienstleistung 1

2 Als Eignungsnachweis wird häufig die Zertifizierung nach ISO9001 gefordert. Mit diesem Nachweis wird die Erfüllung der Allgemeinen Anforderungen an Qualitätsmanagementsysteme gefordert. [ISO9001] In den Ingenieurverträgen beschreiben unsere Auftraggeber die wesentlichen Anforderungen an die Anlage, die Aufgliederung der Anlage in wesentliche Anlagenteile, die zu erbringenden Ingenieurleistungen und die Basis zu deren Honorierung. Häufig findet dabei die Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (HOAI) zur Honorarermittlung Anwendung. Die HOAI gliedert dabei standardmäßig erforderliche Ingenieurarbeiten in einzelne Phasen (Leistungsphasen) und definiert je Phase einen Prozentsatz des Gesamthonorars. Darüber hinaus werden in der HOAI mit den Grundleistungen (Anl HOAI) und den Besonderen Leistungen (Anl. 2 HOAI) für jede Leistungsphase einzelne Tätigkeiten des Ingenieurs in einer allgemeinen Form beschrieben [HOAI]. Darüber hinaus werden einzelne Planungsergebnisse in allgemeiner Form benannt, z.b. Erläuterungsbericht, Kostenberechnung und Ausführungspläne. In Ingenieurverträgen in denen die HOAI keine Anwendung findet, werden die zu erbringenden Leistungen und die erwarteten Planungsergebnisse meist ebenfalls in allgemeiner Form beschrieben und eine individuelle Basis zur Honorierung vereinbart. Auch für Leistungen im Projektmanagement werden häufig standardisierte Leistungsbeschreibungen als Vertragsbasis verwendet. Mit dieser Art der Beschreibung der Leistungen liegen jedoch nur allgemeine Anforderungen an die Arbeit des Ingenieurs vor. Besondere Anforderungen an die Planungsprozesse, die spezifisch auf die Erfordernisse der zu errichtenden Anlage abgestimmt werden, werden dabei nur äußerst selten vereinbart. Etablierte Standards und Methoden, z.b. PMBOK Guide des PMI, DIN oder ISO21500 für Projektmanagement oder aber die ISO15288 für die Ingenieurdienstleistungen findet hier nur selten Anwendung. Im Rahmen der Zertifizierung unseres Ingenieurbüros nach ISO9001 haben wir die Unternehmensprozesse definiert. Produktrealisierung (gemäß ISO 9001) bedeutet in unserem Ingenieurbüro Engineering und ist im Wesentlichen: Definition der technischen Architektur von Systemen und Anlagen oder Teilen Definition der technischen Schnittstellen Definition der Anforderungen an die Anlagenteile und deren Integration zur Gesamtanlage Interdisziplinäre Koordination Definition und Koordination der Projektabläufe Definition und Koordination der organisatorischen Schnittstellen im Projekt Technisches Projektmanagement Enge Verzahnung zum übergeordneten Projektmanagement des Kunden Bei der Ausgestaltung unserer Unternehmensprozesse haben wir die Prozesse der ISO15288 als Basis verwendet. Auf diese Weise gelang uns die Integration von ISO9001 und ISO15288 in einem Prozessmodell, dass sowohl an unsere Leistungen für die Projekte unserer Kunden als auch an unsere Unternehmensgröße mit knapp 100 Mitarbeitern sinnvoll angepasst ist. Dieses Prozessmodell wird für jedes Projekt spezifisch an die Aufgaben, Rahmenbedingungen und Besonderheiten des Projektes individuell zugeschnitten. Für unsere Projekte im Anlagenbau haben wir die organisationsübergreifend erforderlichen Prozesse, die typischen Meilensteine und Quality-Gates definiert und im V-Modell abgebildet. Zusätzlich wird das V-Modell den Systemlebenszyklusphasen nach ISO15288 zugeordnet. 2

3 Abbildung 1: Engineering im V-Modell für Anlagenbauprojekte Eine Besonderheit des Anlagenbaus ergibt sich dadurch, dass die Anlage im Rahmen der Integration der Anlagenteile entsteht, d.h. produziert wird. Hierin besteht ein wesentlicher Unterschied zu den Branchen Aviation, Transport und Automotive, in denen auf die Entwicklungsphase eine Serienproduktion folgt. Dieses Modell bildet die Grundlage zur organisationsübergreifenden Kommunikation, Abstimmung und Vereinbarung und bildet die Basis zur detaillierten Ausgestaltung der erforderlichen Prozesse der handelnden Organisationen. Darüber hinaus fließen die hierin festgelegten Prozesse, Arbeitsergebnisse und Methoden als Anforderungen in die Leistungsbeschreibungen für die Auftragnehmer ein und werden somit Vertragsbestandteil. 3 Richard-Strauss-Tunnel, München 3.1 Projektvorstellung Der Richard-Strauss-Tunnel gehört zur Tunnelkette Mittlerer Ring Ost in München. Anlass für den Bau des Tunnels war der positive Bürgerentscheid Drei Tunnel braucht die Stadt von Die neu erbauten Tunnelbauwerke sowie die Bestandstunnel wurden nach der Richtlinie für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln (RABT) mit Verkehrstechnik, Beleuchtungsanlagen, verschiedenen Energieversorgungsanlagen sowie mit umfangreicher Leit- und Sicherheitstechnik ausgestattet. Die Leit- und Automatisierungstechnik sowie die digitale Videotechnik wurden in die übergeordnete Leittechnik in der Verkehrs- und Betriebszentrale München integriert. Die Planung und Ausführung der technischen Ausstattung erfolgte von 2004 bis Abbildung 2: Fahrbahn im Richard-Strauss-Tunnel vor Verkehrsfreigabe Daten zum Richard-Strauss-Tunnel: Tunnellänge m Verkehrsart - Richtungsverkehr Geschwindigkeit - 60 km/h / 50 km/h Verkehrsbelastung / 24 h LKW-Anteil - 7 % 3

4 Tunnelquerschnitt - Rechteck Tunnelbreite - 10,5 m / Röhre Lichte Höhe - 4,8 m Fahrspuren - 1 bis 3 je Fahrtrichtung (je 2,32 m) Standstreifen - je Röhre 2 m Breite Fluchtweg - alle 60 m Notgehwege - je Röhre an der Mittel-/Außenw. 1 m Als wesentliche Ziele wurde von der Landeshauptstadt München benannt: Erstellung einer qualitativ hochwertigen Planung und Ausschreibung, die eine qualitäts- und termingerechte Planung und Ausschreibung sowie Vergabe sicherstellt Berücksichtigung aller Schnittstellen und Anforderungen von Dritten, insbesondere Betriebsabteilung, Kreisverwaltungsreferat, Polizei, Verwaltungsbehörde Sicherstellung der termingerechten Verkehrsfreigabe Die komplexe Technik, verschiedenste Stakeholder aus unterschiedlichen Fachdisziplinen und die Einbindung in die Verkehrs- und Betriebszentrale München stellten hohen Anforderungen an eine strukturierte Projektabwicklung. 3.2 Methoden des Systems Engineering Durch die Prozessorientierung unseres Unternehmens und durch die konsequente Ausrichtung auf Systems Engineering sehen unsere internen Planungsprozesse eine Vielzahl von standardisierten Vorgehensweisen des Systems Engineering vor. So wurden in diesem Projekt u.a. die nachfolgend beschriebenen Methoden des Systems Engineering angewendet: SE-Methode [SEH] Interface Control Document (ICD) Concept of Operations (ConOp) (Stakeholder Requirements Definition Process) integration strategy and plan (Architectural Design Process) perform integration (Integration Process) Integrated Product Development Team (IPDT) Anwendung im Projekt - Schnittstellenhandbuch - Sicherheitskonzept Betriebstechnik - SIL-Konzept (funktionale Sicherheit nach ISO 61508) - Notfallplan Tunnel - Energiekonzept - Inbetriebnahmeplanung - Inbetriebnahmekoordination in der Umsetzung - Interdisziplinäre Planungsbesprechungen - Planer-Jourfixe mit allen beteiligten Fachplanern Nachfolgend wird exemplarisch das Schnittstellenhandbuch näher erläutert. Schnittstellenhandbuch Eine wesentliche SE-Methode zur Abstimmung und Vereinbarung von Schnittstellen sind Interface Control Documents (ICD). Bereits sehr früh im Entwicklungsprozess werden diese Dokumente im Rahmen des Requirements Analysis Process für jede Schnittstelle erstellt und über den gesamten Entwicklungsverlauf kontinuierlich fortgeschrieben. [SEH] Aufgrund der Vielzahl und Komplexität der Schnittstellen, insbesondere an den Liefer- und Leistungsgrenzen der jeweiligen Auftragnehmer der Gewerke, wurden im Rahmen von interdisziplinären Planungsbesprechungen die Schnittstellen systematisch identifiziert und in einem Schnittstellenhandbuch zusammengestellt. Dabei wurden je 4

5 Schnittstelle die beteiligten Schnittstellenpartner benannt und die entsprechenden Planungsaufgaben sowie die Lieferund Leistungsverpflichtungen den beteiligten Schnittstellenpartnern zugewiesen. In regelmäßigen Planer-Jourfixe mit allen beteiligten Fachplanern wurden die Schnittstellen und sämtliche getroffenen Festlegungen abgestimmt und vereinbart. Zum Nachweis der Vereinbarung wurde das Dokument für jede einzelne Schnittstelle von den beteiligten Schnittstellenpartnern unterzeichnet. Abbildung 3: Schnittstellenbeschreibung im Schnittstellenhandbuch Zur kontinuierlichen Verfolgung des Reifegrades sowohl innerhalb der Anforderungsdefinition als auch im Rahmen der Entwicklung, wurde das Gesamtdokument sowie jede einzelne Schnittstelle im Konfigurationsmanagement eingestellt. Detaillierungen oder Änderungen der bisherigen Festlegungen wurden für jede Schnittstelle im Schnittstellenhandbuch fortgeschrieben und zur erneuten Abstimmung und Vereinbarung im Planer-Jourfixe gebracht. Über den gesamten Planungsprozess diente dieses Dokument der Abstimmung und Präzisierung der Schnittstellen sowie der Abgrenzung der Liefer- und Leistungsumfänge. Dabei erleichterte das Dokument die Kommunikation im interdisziplinären Planungsteam erheblich. Darüber war das Schnittstellenhandbuch wesentliches Arbeitsinstrument im Rahmen der Architekturarbeit und diente hierbei insbesondere zur Beschreibung der einzelnen Elemente. Die Inhalte des Schnittstellenhandbuchs wurden in die Lastenhefte der Auftragnehmer der einzelnen Gewerke übernommen und bildeten somit auch die Grundlage für die Vertragsgestaltung. Im Rahmen der hierarchischen Inbetriebnahme wurde das Schnittstellenhandbuch ebenfalls verwendet. Allerdings wurden hierbei die einzelnen Inbetriebnahmeschritte der beteiligten Schnittstellenpartner und der jeweilige Status der Inbetriebnahme nicht konsequent dokumentiert. Dies stellt ein wesentliches Verbesserungspotential für Folgeprojekte dar. Die entsprechenden Templates wurden bereits angepasst und somit die erweiterte Anwendung vorbereitet. Eine weitere Verbesserung in der Anwendung des Schnittstellenhandbuchs erwarten wir durch die zusätzliche Dokumentation der wesentlichen funktionalen, nicht-funktionalen und Performance-Anforderungen je Schnittstelle. Dies wurde bislang noch nicht praktiziert. 5 Fazit Die Anwendung von Systems Engineering nach dem Verständnis der GfSE und der INCOSE sowie der standardisierten Prozesse der ISO hängt nicht von der Größe der Organisation ab. Der Erfolg ist eine Frage der Anpassung der Standards an die jeweilige Herausforderung und die Rahmenbedingungen. 5

6 In Projekten zur Planung und Errichtung komplexer Anlagen kann Systems Engineering und eine Vielzahl der Methoden und Best Practices sehr erfolgreich eingesetzt werden. Durch den konsequenten Einsatz werden Projektlaufzeiten besser plan- und steuerbar, die Anlagenkomplexität handhabbar und kostenintensive Störfälle im Rahmen der Integration vermieden. Auch hierbei gilt die Angemessenheit der Mittel, zugeschnitten auf die konkreten Problemstellungen, als wesentlicher Erfolgsgarant. Die Akzeptanz und Verbreitung von Systems Engineering im Anlagenbau, sowohl auf Seiten der Planer als auch auf Seiten der ausführenden Firmen, hängt entscheidend von den vertraglich festgeschriebenen Anforderungen an die Prozesse ab. Literaturverzeichnis [HOAI] 5. Verordnung über die Honorare für Architekten- und Ingenieurleistungen (Honorarordnung für Architekten und Ingenieure HOAI), [ISO9001] DIN EN ISO 9001 Qualitätsmanagementsysteme Anforderungen (ISO 9001:2008), Dezember [SEH01] INCOSE Systems Engineering Handbook v. 3.2, Januar