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Was ist modellbasierte Systementwicklung (MBSE)?

Modellbasierte Systementwicklung (MBSE) bezieht sich auf die Verwendung von digitalen Modellen (anstelle von Dokumenten oder informellen Diagrammen), um Systemfunktionen, -strukturen und -verhalten zu definieren und zu analysieren. Sie unterstützt die Aktivitäten zur Festlegung von Systemanforderungen, Design, Analyse, Verifizierung und Validierung, beginnend in der Konzeptionsphase und fortlaufend durch die Entwicklungs- und späteren Lebenszyklusphasen. Die MBSE-Methodik ist unerlässlich, um die zunehmende Komplexität moderner Systeme zu bewältigen.

Vorteile der modellbasierten Systementwicklung

MBSE ist aufgrund ihres strukturierten, visuellen und integrierten Ansatzes zur Verwaltung komplexer Systeme während ihres gesamten Lebenszyklus äußerst effektiv. Dies liegt an der Verwendung von Systemmodellierungssprachen wie SysML. SysML ist eine standardisierte, allgemeine Modellierungssprache, die entwickelt wurde, um komplexe Systeme, einschließlich Hardware, Software, Informationen, Prozesse, Personal und Einrichtungen, zu spezifizieren, zu analysieren, zu entwerfen und zu verifizieren. MBSE bietet die folgenden Vorteile:

• Zentralisierte Definition der Designabsicht, mit interaktiven Modellen, die es Designteams und anderen Stakeholdern in der Organisation ermöglichen, mit Genauigkeit und Konsistenz darauf zuzugreifen
• Effiziente Darstellung von Komplexität, mit interaktiven Diagrammen und anderen benutzerfreundlichen Darstellungen des Systemverhaltens
• Reduzierte Entwurfszeit, da es Systemingenieuren ermöglicht, Analysen in einem Bruchteil der Zeit durchzuführen, die für die gleichen Aufgaben manuell erforderlich wäre
• Abstimmung mit dem Lebenszyklusprozess durch digitale Modelle, die moderne PLM-Plattformen, einschließlich Änderungsmanagement, Versionskontrolle, Zugriffskontrollen und andere PLM-Lebenszyklus-Dienste, verwalten können

Hauptkomponenten der modellbasierten Systementwicklung

Die MBSE-Methodik umfasst mehrere Schlüsselkomponenten. Zusammen schaffen sie eine vollständige, virtuelle Definition eines Systems und erleichtern die interdisziplinäre Integration zwischen den Phasen der Produktentwicklung.

Systemmodell

Eine formale, strukturierte Darstellung eines Systems unter Verwendung verschiedener Darstellungen und Abstraktionen, die seine Komponenten, sein Verhalten, seine Beziehungen und Interaktionen erfassen, sodass das System analysiert, entworfen und verstanden werden kann. Es dient als Blaupause für den Aufbau und Betrieb des Systems und bietet eine gemeinsame visuelle Referenz für Ingenieure, Stakeholder und Entwickler während des gesamten Lebenszyklus des Systems.

Modellierungssprache

Eine formale Modellierungssprache, die verwendet wird, um Systemmodelle zu erstellen und weiterzuentwickeln.

Anforderungsmanagement

Funktionalität, die Systemanforderungen im gesamten Entwicklungsprozess erfasst und nachverfolgt, wobei Anforderungen direkt mit den Elemente des Systemmodells verknüpft sind, um sicherzustellen, dass Designentscheidungen mit den festgelegten Anforderungen übereinstimmen.

Simulation und Analyse (SAM)

MBSE integriert Simulationsmodelle, die Ingenieuren ermöglichen, Systemleistungen zu analysieren, Entwürfe zu optimieren und „Was-wäre-wenn“-Szenarien vor der physischen Umsetzung zu untersuchen, einschließlich:

• Verhaltenssimulationen: Testen, wie das System auf verschiedene Eingaben, Zustände oder Interaktionen reagiert.
• Parametrische Analyse: Bewertung der Systemleistung durch Modellierung wichtiger Parameter (z. B. Gewicht, Kosten, Energieverbrauch) und deren Beziehungen.
• Werkzeugintegration: MBSE integriert sich mit verschiedenen Simulationswerkzeugen, wie MATLAB/Simulink, um fortgeschrittene Analysen durchzuführen.

Lebenszyklusmanagement

Das zentrale Rechenzentrum bietet einen konsolidierten Ort für die SAM, alle Simulationen und andere Funktionen, die im MBSE-Prozess beteiligt sind. Es ermöglicht Teammitgliedern aus verschiedenen Abteilungen, auf dieselben Echtzeitinformationen zuzugreifen und Änderungen sofort für andere Teams sichtbar zu machen.

Der Workflow der modellbasierten Systementwicklung

Der typische MBSE-Prozess umfasst die folgenden Schritte:

Schritt 1: Anforderungen festlegen
Zunächst entwickelt das Ingenieurteam Anforderungen auf der Grundlage der Bedürfnisse aller Stakeholder, einschließlich Benutzer, Unternehmensleiter und Aufsichtsbehörden. Einige Teams nutzen Software, um ihnen zu helfen, alle Anforderungen zu erfassen und zu verwalten.

Schritt 2: Das System entwerfen
Als nächstes beginnt das Team, ein System zu entwerfen, das den festgelegten Anforderungen entspricht. Sie verwenden MBSE, um visuelle Modelle jeder Komponente innerhalb des Systems zu erstellen. Dazu gehört auch eine Funktionalität, die es ihnen ermöglicht, jede Systemkomponente mit den ursprünglichen Anforderungen zu verknüpfen.

Dann modelliert das Team, wie das System unter verschiedenen Bedingungen funktioniert, und hilft ihnen zu verstehen, wie das System in realen Anwendungsfällen reagieren wird.

Schritt 3: Risiken analysieren
Die Ingenieure führen anschließend Risikoanalysen am System durch, einschließlich technischer Leistung, Kosten, Sicherheit usw. Sie reagieren auf diese Risiken mit präventiven Maßnahmen, um sicherzustellen, dass das Endprodukt minimale Risiken aufweist.

Schritt 4: Die Modelle validieren
Danach überprüft das Ingenieurteam die Modelle. Sie führen eine Reihe von Tests durch, um sicherzustellen, dass sie genau, zuverlässig und den Anforderungen entsprechend sind.

Schritt 5: Das System bauen
Nach der Validierung der Modelle kann das Team mit der Herstellung des Systems beginnen und sicherstellen, dass es die Anforderungen und Standards erfüllt.

Schritt 6: Das System warten
Die MBSE bleibt eine zentrale Informationsquelle, während das Team das Produkt produziert. Sie verfolgt Rückmeldungen aus der Praxis, Probleme vor Ort und andere wertvolle Informationen und bietet den Teams einen kollaborativen Raum zur kontinuierlichen Verbesserung des Systems.

Anwendungsfälle der modellbasierten Systementwicklung

Mehrere Branchen nutzen MBSE, um die Systementwicklung und -produktion zu zentralisieren. Hier sind einige Beispiele für produktintensive Unternehmen, die für ihren Geschäftserfolg auf MBSE setzen:

• Die Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsindustrie entwickeln komplexe Systeme mit detaillierten Spezifikationen und speziellen Anwendungsfällen. Diese Teams nutzen MBSE, um genau zu verstehen, wie das System in verschiedenen realen Szenarien funktionieren wird.
• Die Automobilindustrie verwendet MBSE, um detaillierte Modelle moderner komplexer Autos zu erstellen, einschließlich physischer und Softwarekomponenten.
• Die Engineering-, Beschaffungs- und Bauindustrie (EPC) setzt auf MBSE, um die Rückverfolgbarkeit während der Produktion komplexer Assets aufrechtzuerhalten.
• High-Tech-Industrien, die physische Infrastruktur und fortschrittliche Software kombinieren, nutzen MBSE, um innovative Produkte zu veröffentlichen und mit schnellen Veränderungen Schritt zu halten.
• Industrielle Fertigungsunternehmen setzen auf MBSE, um komplexe Produkte zu einem Bruchteil der Kosten und der Zeit zu entwickeln, die für manuelle Prozesse und verschiedene Tools erforderlich wären.
• Die Medizinindustrie verwendet MBSE, um sichere und konforme Geräte mit minimalen Rückrufen zu entwickeln.

Herausforderungen der modellbasierten Systementwicklung

Teams, die MBSE einrichten und nutzen, um komplexe Produkte zu entwickeln, stehen vor einigen gemeinsamen Herausforderungen:

Kultureller Widerstand und organisatorischer Wandel

Der Wechsel von dokumentenbasierter Systementwicklung zu MBSE erfordert oft einen kulturellen Wandel innerhalb der Organisation. Teammitglieder, die an traditionelle Methoden gewöhnt sind, könnten sich der Einführung neuer Werkzeuge und Prozesse widersetzen. Dazu gehören Schulungen und Kompetenzentwicklung im Umgang mit Modellierungswerkzeugen und den resultierenden Modellen. Es erfordert auch eine stärkere Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Ingenieurbereichen (Software, Hardware, Mechanik usw.), wo die Teams möglicherweise isoliert arbeiten, und das Fördern interdisziplinärer Zusammenarbeit kann erhebliche Anstrengungen erfordern.

Werkzeug

integration, Kompatibilität und fehlende Standardisierung

Da die MBSE-Methodik auf eine Vielzahl von Tools angewiesen ist, müssen diese nahtlos zusammenarbeiten. Dies ist jedoch nicht immer leicht zu bewerkstelligen. Um Komplikationen im Zusammenhang mit der Integration zu vermeiden, müssen Teams bei der Erstellung der MBSE-Methodik zusammenarbeiten und Entscheidungen über ihre Technologiestacks treffen.

Hohe Anfangsinvestitionen

Die Kosten für den Erwerb und die Wartung von Tools können hoch sein, insbesondere für kleinere Organisationen. Neben den Werkzeugkosten müssen Organisationen in die Schulung ihrer Ingenieure und anderer Mitarbeiter investieren, um MBSE-Werkzeuge und -Methoden effektiv zu nutzen. Dies erfordert das Engagement des Managements, Zeit und finanzielle Investitionen, die den Einführungsprozess verlangsamen können.

Einführung in die modellbasierte Systementwicklung

Die Etablierung von MBSE in Ihrer Organisation erfordert die richtigen Technologien und Prozesse. Viele Teams verfolgen einen agilen Ansatz, um Funktionen, die MBSE unterstützen, strategisch einzuführen. Auf diese Weise können sie nach und nach Werkzeuge einführen, die Teammitglieder angemessen im Umgang mit den neuen Funktionen schulen und testen, wie das MBSE-System im Laufe der Zeit funktioniert. Wie bei jedem Softwareentwicklungsprojekt sollte das Team Leistungskennzahlen messen, um sicherzustellen, dass die implementierten Technologien und Prozesse ihre Ziele erreichen.

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