{"id":7834,"date":"2025-11-29T06:58:51","date_gmt":"2025-11-29T05:58:51","guid":{"rendered":"https:\/\/web-dev-weissblau.de\/microconsult\/?p=7834"},"modified":"2026-02-13T15:54:46","modified_gmt":"2026-02-13T14:54:46","slug":"identifying-and-managing-the-risks-of-technical-debt","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.microconsult.de\/en\/risiken-von-technical-debt-identifizieren-und-managen\/","title":{"rendered":"Identifying and managing the risks of technical debt"},"content":{"rendered":"

Autoren: Thomas Aicher, Huan Dong, Birgit Vogel-Heuser, Lehrstuhl f\u00fcr Automatisierung und Informationssysteme, TU M\u00fcnchen<\/strong><\/p>\n

Beitrag – Embedded Software Engineering Kongress 2017<\/h3>\n

Oft muss bei der Behebung eines technischen Problems unter Zeitdruck zwischen einer aufwandsarmen „suboptimalen“ L\u00f6sung und der aufw\u00e4ndigeren „besseren“ L\u00f6sung entschieden werden. Diese Frage stellen sich Ingenieure, Techniker und Entscheider h\u00e4ufig bei der Entwicklung, dem Betrieb bzw. der Inbetriebnahme eines Embedded Systems (ES). Dabei m\u00fcssen diese die Projektsituation, die verbleibende Laufzeit und Kosten ber\u00fccksichtigen. Unter dem Begriff der technischen Schuld, also der Technical Debt (TD), wird die bewusste Entscheidung gegen eine bessere, sinnvollere L\u00f6sung verstanden. Obwohl TD im klassischen Software-Engineering ein bekanntes und erforschtes Ph\u00e4nomen ist, wird es bis dato in den Bereichen der Embedded Systems und Mechatronik, wie beispielsweise ein Produktionssystem, noch wenig beachtet und ist in Folge dessen wenig beherrscht. Die daraus resultierenden finanziellen Sch\u00e4den f\u00fcr Unternehmen sind erheblich. Aus diesem Grund ist die Bereitstellung transparenter Grundlagen f\u00fcr bewusste Entscheidungen zur Inkaufnahme von TD von besonderem Interesse. Anhand einer Erweiterung der TD-Klassifikation aus dem Software Engineering und einer dom\u00e4nen\u00fcbergreifenden Fallstudie wird TD und ihre Auswirkungen sowie das Potential zur Beherrschung von TD diskutiert. Um die geforderte Transparenz zu erreichen, werden f\u00fcr Embedded Systems sowohl die kurzfristigen als auch die langfristigen Auswirkungen aufgezeigt und gegen\u00fcbergestellt.<\/p>\n

Einleitung und Motivation<\/h2>\n

Der Begriff „Technical Debt“ (TD) wurde im Bereich des Software Engineerings vor mehr als zwei Jahrzehnten eingef\u00fchrt [1]. TD beschreibt die langfristigen negativen Effekte, die entstehen, wenn kurzfristig bewusst eine suboptimale L\u00f6sung anstatt einer aufw\u00e4ndigeren „optimalen“ L\u00f6sung gew\u00e4hlt wird. TD gilt im Software Engineering als ein bekanntes Forschungsthema, konnte aktuell aber noch keinen Einzug im Bereich der Embedded Systems (ES) und Mechatronik, wie beispielsweise ein Produktionssystem, finden. Ein h\u00e4ufiges Einsatzfeld von ES sind Maschinen und Anlagen, aber auch mehr oder weniger komplexe mechatronische Systeme wie Z\u00fcge, Fahrzeuge oder Baumaschinen. Alle diese mechatronischen Systeme k\u00f6nnen als eine Komposition aus \u00a0mechanischen, elektrischen und Software-Komponenten betrachtet werden, die in den verschiedenen Lebenszyklusphasen \u2013 Entwickelung, Inbetriebnahme und Wartung (vgl. Abb. 1,\u00a0PDF<\/a>) \u2013 zusammenwirken [2].<\/p>\n

Insbesondere die Inbetriebnahme, Wartung und weitere Optimierung stellen zus\u00e4tzliche Phasen dar in denen TD auftreten kann (Abb. 1,\u00a0PDF<\/a>). Abh\u00e4ngig von der Gr\u00f6\u00dfe und Komplexit\u00e4t der Maschine und des zu produzierenden Produktes wird sowohl im Werk als auch auf der Baustelle getestet. H\u00e4ufig kann ein ES in einer Maschine vor der finalen Inbetriebnahme nicht vollst\u00e4ndig getestet werden. Deshalb stehen die Inbetriebnehmer oft unter hohem Zeitdruck, und es m\u00fcssen Fehler kurzfristig auf der Baustelle behoben bzw. neue L\u00f6sungen entwickelt werden. In dieser Inbetriebnahmephase sind viele Beispiele f\u00fcr TD zu finden. Die sp\u00e4teren Wartungskosten solcher Bug-Fixes oder on-site Entwicklungen h\u00e4ufig parallel zu systematischeren L\u00f6sungen aus der Konstruktion \u00fcberschreiten die zuvor eingesparten Kosten bei der Inbetriebnahme. Die hohen Wartungs- und Pflegekosten resultieren aus den langen Lebenszykluszeiten (h\u00e4ufig \u00fcber 20 Jahre) von Maschinen und Anlagen sowie den h\u00e4ufigen \u00fcber 100 parallel betreibenden Maschinen. Ziel der Kostenbetrachtung im Rahmen von TD ist es nicht nur Herstellkosten oder Inbetriebnahmekosten, sondern auch die Betriebskosten f\u00fcr den Kunden zu betrachten.<\/p>\n

F\u00fcr mechatronische Systeme [3] ist jedoch nicht nur die Software sondern auch die Disziplinen Mechanik und Elektrik\/Elektronik zu ber\u00fccksichtigen. Im Folgenden wird TD zwar immer noch aus der Sicht der Disziplin Software betrachtet, aber in Wechselwirkung zu den anderen Disziplinen. Anhand der Fallstudie eines Maschinen- und Anlagenherstellers, wird die TD-Klassifikation erweitert und eine Visualisierung von TD f\u00fcr ES in diesem Bereich vorgeschlagen.<\/p>\n

Vorgehensweise und Fallbeispiel<\/h2>\n

In Interviews mit Maschinen- und Anlagenherstellern konnten wir verschiedene typische Beispiele f\u00fcr TD in ES sammeln. Parallel dazu wurde mittels einer web-basierten Online-Umfrage eine repr\u00e4sentative Studie mit mehr als 80 Unternehmen aus verschiedenen Anwendungsbereichen von ES durchgef\u00fchrt. Die aus dem Software Engineering bekannten TD-Klassen k\u00f6nnten damit um multidisziplin\u00e4re und Lebenszyklus-spezifische Klassen f\u00fcr ES in der Mechatronik erweitert werden. Im Folgenden wird dazu eine solche TD-Klasse f\u00fcr die Fallstudie eines weltweit f\u00fchrenden Maschinen- und Anlagenherstellers vorgestellt, der unter anderem Roboter in seine Anlagen integriert.<\/p>\n

W\u00e4hrend der Inbetriebnahme einer Anlage, haben Techniker eine vertauschte Verdrahtung innerhalb eines Roboters festgestellt (Fehler in der Elektrik\/Elektronik). Obwohl die Techniker das Verdrahtungsproblem am Roboter h\u00e4tten korrigieren k\u00f6nnen, erfolgte dies nicht, sondern die Softwareschnittstelle der Steuerungssoftware wurde angepasst. Diese \u00c4nderung wurde weder in der Softwaredokumentation noch im Elektroschaltplan dokumentiert. Hierdurch ist eine TD in der Dokumentation und eine TD in der Disziplin Elektrotechnik w\u00e4hrend der Inbetriebnahme entstanden. Beides ist durchaus typisch, weil sich Software h\u00e4ufig einfacher und schneller \u00e4ndern l\u00e4sst.<\/p>\n

Nach einigen Jahren wird der Roboter durch einen neuen gleichen Roboter mit korrekter Verdrahtung ausgetauscht. Da die Software jedoch noch immer f\u00fcr die Steuerung des falsch verdrahteten Roboters ausgelegt war, f\u00fchrte der neue Roboter unerwartete (invertierte) Man\u00f6ver aus und verursachte dabei Sch\u00e4den an der Anlage. Ein Teil der Anlage musste wegen diesem Vorfalls repariert werden. Dieser Schaden verursachte f\u00fcr den Maschinenlieferanten und den Betreiber einen betr\u00e4chtlichen finanziellen Schaden.<\/p>\n

Da die Dokumentation der Verdrahtung und Steuerungssoftware des Roboters nach dem Auffinden des Fehlers und der Anpassung innerhalb der Software nicht angepasst wurde, liegen drei TD-Klassen vor (vgl. Abb. 2,\u00a0PDF<\/a>),\u00a0 erstens: Commissioning TD, weil die falsche Verdrahtung innerhalb des Roboters bei der Integration des Roboters in die Anlage im Werk entstand, dort aber aufgrund eines fehlenden Tests nicht identifiziert wurde. Erst w\u00e4hrend der Inbetriebnahme auf der Baustelle wurde der Fehler identifiziert und aus Zeitgr\u00fcnden die L\u00f6sung (bug fix) in der Software realisiert.<\/p>\n

Die zweite TD, Code TD, ist durch die \u00dcberarbeitung der Software-Schnittstellen entgegen der Standardschnittstelle entstanden, die zur Notwendigkeit der Pflege von verschiedenen Versionen dieser Schnittstelle f\u00fchrt. Die dritte TD ist die Dokumentations-Schuld, die durch die fehlende Dokumentation entsteht, so dass beim Austausch des Roboters durch einen neuen kein Hinweis auf die notwendige Anpassung der falsch ausgef\u00fchrten Schnittstelle vorliegt. Der entstandene Schaden beruht auf diesen drei TD-Arten.<\/p>\n

Erweiterte TD-Klassen f\u00fcr ES in der Mechatronik und im Maschinen- und Anlagenbau<\/h2>\n

Die diskutierten TDs f\u00fcr ES im Maschinen- und Anlagenbau erweitern die Klassifikationen des Software Engineering [6] (siehe Abb. 2,\u00a0PDF<\/a>). Die zus\u00e4tzlichen Dimensionen beziehen sich auf die weiteren Phasen des Lebenszyklus von solchen ES wie beispielsweise Systemintegration, Inbetriebnahme sowie Betrieb und Wartung. Zudem sind f\u00fcr betroffene Disziplinen d.h. Mechanik und\/oder Elektrik\/Elektronik, auch weitere zus\u00e4tzliche Dimensionen angegeben [2].<\/p>\n

Kosten von TD in ES f\u00fcr den Maschinen- und Anlagenbau (Ergebnisse der Online Umfrage)<\/h2>\n

Aufbauend auf verschiedenen fragebogenbasierten Untersuchungen zur Reife von Software-Entwicklung und zum Engineering von ES im Maschinen- und Anlagenbau [7] im aktuellsten Fragebogen (aktiv geschaltet seit Juli 2017) wurden sechs Fragen zu TD eingebunden. Die beteiligten Unternehmen sind in verschiedenen Branchen t\u00e4tig, darunter Automotive, Medizin, Robotik, etc. Die Teilnehmer stammen sowohl aus dem Bereich Software, aber auch aus den Disziplinen Elektrik\/Elektronik und Mechanik. Insgesamt liegen bereits 80 ausgef\u00fcllte Frageb\u00f6gen vor, bisher konnten jedoch nur 51 ber\u00fccksichtigt werden. Nach Ende des Fragebogens im November 2017 k\u00f6nnen die restlichen eingegangen Daten einbezogen werden. Im Folgenden werden einige ausgew\u00e4hlte Aspekte vorgestellt:<\/p>\n

TD verursacht im Bereich der Software am h\u00e4ufigsten zus\u00e4tzliche und langfristige Aufw\u00e4nde (siehe Abb. 3,\u00a0PDF<\/a><\/strong>).<\/p>\n

Bei der Betrachtung der Aufw\u00e4nde werden zwei F\u00e4lle unterschieden: Erstens der kurzfristige Nutzen aufgrund der h\u00e4ufig aufwands\u00e4rmeren suboptimalen L\u00f6sung und zweitens der zus\u00e4tzliche langfristige Aufwand aufgrund der suboptimalen L\u00f6sung (Abb. 4,\u00a0PDF<\/a>). Dabei verursacht TD durchschnittlich erhebliche au\u00dferplanm\u00e4\u00dfige Aufw\u00e4nde, die die kurzfristigen Vorteile \u00fcbersteigen.<\/p>\n

Visualisierung zur Fr\u00fchwarnung von TD und Kostenabsch\u00e4tzung<\/h2>\n

Um die Risiken hoher sp\u00e4terer Kosten von TD fr\u00fchzeitig zu erkennen und die Entscheidung TD in Kauf zu nehmen, bewusster und unter Kenntnis der voraussichtlichen Kosten zu treffen, ist diese zu visualisieren (Abb. 5). Insbesondere bei TD zwischen verschiedenen Disziplinen oder verschiedenen Lebenszyklusphasen erlaubt die Visualisierung eine h\u00f6here Transparenz \u00fcber Kostenstellen hinweg. Mittels einer Ampelfunktion wird die Kritikalit\u00e4t der TD angezeigt. Am Fallbeispiel des falsch verdrahteten Roboters werden durch die Visualisierung die zus\u00e4tzlichen Kosten f\u00fcr die Disziplin Software f\u00fcr eine oder mehrere Anlagen verdeutlicht (siehe Abb. 5,\u00a0PDF<\/a>). Nach Abschluss der Inbetriebnahme einer Anlage, k\u00f6nnen bewusst gew\u00e4hlte TD nur mit hohen Aufwand wieder durch die aufw\u00e4ndigere optimale L\u00f6sung ersetzt werden.<\/p>\n

Um solche Kostenabsch\u00e4tzungen visualisieren zu k\u00f6nnen, ist die TD in die Nachkalkulation sukzessive einzubinden und damit die Datenbasis iterative zu verbessern.<\/p>\n

Schlussfolgerung und Ausblick<\/h2>\n

In dem klassischen Software-Engineering ist TD ein bekanntes Ph\u00e4nomen, welches jedoch aufgrund der zus\u00e4tzlichen Disziplinen Mechanik und\/oder Elektrik\/Elektronik, nicht ohne weiteres f\u00fcr das Software-Engineering von ES und mechatronischen Systemen insbesondere des Maschinen\u2013 und Anlagenbaus \u00fcberf\u00fchrt werden kann. Die Auswirkungen von TD \u00fcber die Disziplingrenzen hinaus gilt es ebenfalls in zuk\u00fcnftigen Forschungsarbeiten zu untersuchen. Die Notwendigkeit dieser Forschungsarbeiten wird jedoch in diesem Beitrag am Beispiel eines falsch verdrahteten Roboters sowie den dadurch verursachten technischen Sch\u00e4den und finanziellen Verlusten verdeutlicht. Erste Vorschl\u00e4ge wie solche TD zuk\u00fcnftig visualisiert werden k\u00f6nnen, wurden vorgestellt. Eine eigens durchgef\u00fchrte Umfrage verdeutlicht, dass der langfristige zus\u00e4tzliche Aufwand aufgrund einer suboptimalen L\u00f6sung den kurzfristigen Nutzen \u00fcbersteigt. Das daraus gewonnene Ergebnis kann dazu beitragen, dass Industrieunternehmen w\u00e4hrend der Inbetriebnahme eines Produktionssystems die Anzahl von TD reduzieren und in bestehenden \u00e4hnlichen Systemen entfernen. Somit k\u00f6nnte der Wartungsaufwand reduziert und die Wirtschaftlichkeit der Unternehmen erh\u00f6ht werden. Um die Klassifikation von TD zu verbessern, konnten wir in Vorarbeiten [4, 5] zwei zus\u00e4tzliche Fallbeispiele n\u00e4her untersuchen und planen diese durch weitere Fallbeispiele in Zukunft zu erweitern.<\/p>\n

Link zur Umfrage:\u00a0https:\/\/umfrage.ais.mw.tum.de\/index.php\/947666?lang=de<\/a><\/strong><\/p>\n

Literatur- und Quellenverzeichnis<\/h2>\n

[1]\u00a0 W. Cunningham, \u201cThe WyCash portfolio management system,\u201d\u00a0ACM SIGPLAN OOPS Messenger<\/em>, vol. 4, no. 2, pp. 29\u201330, 1993.<\/p>\n

[2]\u00a0\u00a0 B. Vogel-Heuser and S. R\u00f6sch, \u201cApplicability of Technical Debt as a Concept to Understand Obstacles for Evolution of Automated Production Systems,\u201d in\u00a02015 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics<\/em>, 2015, pp. 127\u2013132.<\/p>\n

[3]\u00a0\u00a0 T. Besker, A. Martini, M. Tichy, and J. Bosch, \u201cAn investigation of Technical Debt in Automatic Production Systems,\u201d in\u00a0Proceedings of the XP2017 Scientific Workshops on – XP \u201917<\/em>, 2017.\u00a0In press<\/em>.<\/p>\n

[4]\u00a0\u00a0 L. Capit\u00e1n and B. Vogel-Heuser, \u201cMetrics for Software Quality in automated Production Systems as an Indicator for Technical Debt,\u201d in\u00a02017 IEEE International Conference on Automation Science and Engineering (CASE)<\/em>, 2017.\u00a0In press<\/em>.<\/p>\n

[5]\u00a0\u00a0 B. Vogel-Heuser and E.-M. Neumann, \u201cAdapting the concept of technical debt to software of automated Production Systems focusing on fault handling, modes of operation, and safety aspects,\u201d in\u00a0Proceedings of the 20th World Congress of the International Federation of Automatic Control (IFAC)<\/em>, 2017.\u00a0In press.<\/em><\/p>\n

[6]\u00a0\u00a0 Z. Li, P. Avgeriou, and P. Liang, \u201cA systematic mapping study on technical debt and its management,\u201d\u00a0Journal of Systems and Software<\/em>, vol. 101, pp. 193\u2013220, 2015.<\/p>\n

[7] \u00a0 B. Vogel-Heuser, J. Fischer, S. Feldmann, S. Ulewicz, and S. R\u00f6sch, \u201cModularity and architecture of PLC-based software for automated production Systems: An analysis in industrial companies,\u201d\u00a0Journal of Systems and Software<\/em>, vol. 131, pp. 35\u201362, 2017.<\/p>\n

Autoren<\/h2>\n

Thomas Aicher<\/strong>\u00a0ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl f\u00fcr Automatisierung und Informationssysteme der TU M\u00fcnchen. Sein Forschungsinteresse gilt der modellbasierten Entwicklung und Flexibilisierung von Steuerungssoftware von mechatronischen Systemen.<\/p>\n

Quang Huan Dong<\/strong>\u00a0ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl f\u00fcr Automatisierung und Informationssysteme der TU M\u00fcnchen. Sein Forschungsinteresse gilt der Analyse von Technical Debt in mechatronischen Systemen sowie deren kurz- und langfristigen Auswirkungen.<\/p>\n

Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser<\/strong>\u00a0leitet den Lehrstuhl f\u00fcr Automatisierung und Informationssysteme der TU M\u00fcnchen. Sie forscht an der Entwicklung und Systemevolution verteilter intelligenter eingebetteter Systeme in mechatronischen Produkten und Produktionsanlagen. Sie ist Sprecherin des Sonderforschungsbereiches (SFB) 768 „Zyklenmanagement von Innovationsprozessen“ und Mitglied der acatech.<\/p>\n

Kontakt<\/h3>\n

Internet:\u00a0www.ais.mw.tum.de
\n<\/a>E-Mail\u00a0 : {thomas.aicher; huan.dong; vogel-heuser}@tum.de<\/p>\n

\u00a0<\/strong>Beitrag als PDF downloaden<\/strong><\/a><\/p>\n

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