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    Was ist modellbasierte Systemtechnik (MBSE)?

    Bei der modellbasierten Systemtechnik (MBSE) werden digitale Modelle (anstelle von Dokumenten oder informellen Diagrammen) verwendet, um Systemfunktionen, -struktur und -verhalten zu definieren und zu analysieren. Sie unterstützt Systemanforderungen, Design, Analyse, Verifizierung und Validierung, beginnend in der Konzeptionsphase und während der gesamten Entwicklungs- und späteren Lebenszyklusphasen. Die MBSE-Methodik ist für die Bewältigung der zunehmenden Komplexität moderner Systeme unerlässlich.

    MBSE ist ein entscheidender Faktor beim Übergang von traditionellen dokumentenzentrierten Ansätzen zu einem modellzentrierten Ansatz. Bei diesem Ansatz werden visuelle, miteinander verbundene Modelle verwendet, um Informationen zwischen Systemingenieuren und Interessengruppen auszutauschen. Diese Methodik ermöglicht es Teams, vollständige digitale Systemdarstellungen zu erstellen, die eine schnelle Bewertung verschiedener Entwurfsoptionen und Szenarien ermöglichen, während die Rückverfolgbarkeit während des gesamten Entwicklungsprozesses erhalten bleibt.

    Der globale MBSE-Markt, der 2023 einen Wert von etwa 2,5 Milliarden US-Dollar hatte, wird bis 2032 voraussichtlich 7,8 Milliarden US-Dollar erreichen, was die wachsende Anerkennung seiner Bedeutung für die moderne Systementwicklung widerspiegelt. Dieses Wachstum zeigt sich besonders in Branchen wie der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie und der Rüstungsindustrie, in denen Hersteller MBSE nicht nur zur Rationalisierung der Produktentwicklung und zur Verkürzung der Markteinführungszeit nutzen, sondern auch zur Ermöglichung kontinuierlicher Aktualisierungen und Verbesserungen von Produktmerkmalen.

    Vorteile der modellbasierten Systemtechnik

    MBSE ist aufgrund seines strukturierten, visuellen und integrierten Ansatzes zur Verwaltung komplexer Systeme während ihres gesamten Lebenszyklus äußerst effektiv. Dies ist auf die Verwendung von Systemmodellierungssprachen wie SysML zurückzuführen. SysML ist eine standardisierte, universell einsetzbare Modellierungssprache, die zur Spezifikation, Analyse, Gestaltung und Verifizierung komplexer Systeme, einschließlich Hardware, Software, Informationen, Prozesse, Personal und Einrichtungen, entwickelt wurde. MBSE bietet die folgenden Vorteile:

    • Zentrale Definition der Entwurfsabsicht mit interaktiven Modellen, die es Designteams und anderen Interessengruppen aus dem gesamten Unternehmen ermöglichen, präzise und konsistent darauf zu verweisen
    • Effiziente Darstellung von Komplexität mit interaktiven Diagrammen und anderen benutzerfreundlichen Darstellungen des Systemverhaltens
    • Verkürzte Entwurfszeit, da Systemingenieure Analysen in einem Bruchteil der Zeit durchführen können, die für die manuelle Ausführung derselben Aufgaben erforderlich wäre
    • Abstimmung auf den Lebenszyklusprozess mit digitalen Modellen, die von modernen PLM-Plattformen verwaltet werden können, einschließlich Änderungsmanagement, Versionskontrolle, Zugriffskontrollen und anderen PLM-Lebenszyklus-Diensten
    • Leistungsfähigere Designs und Qualität durch integrierte Simulationsdaten und harmonische Systemkonfiguration
    • Frühzeitige Erkennung von Designproblemen durch virtuelle Prototypen und Analysen, wodurch kostspielige Änderungen in der späten Phase reduziert werden
    • Verbesserte Zusammenarbeit durch die Beseitigung von Silos und die Schaffung offener Kommunikationskanäle
    • Verbessertes Risikomanagement durch frühzeitige Identifizierung von Problemen und proaktive Minderungsstrategien
    • Besseres Anforderungsmanagement durch direkte Verknüpfung von Anforderungen mit Systemkomponenten

    Hauptkomponenten des modellbasierten Systems Engineering

    Die MBSE-Methodik umfasst mehrere Schlüsselkomponenten, die zusammenwirken, um eine vollständige virtuelle Definition eines Systems zu erstellen und die interdisziplinäre Integration während der gesamten Produktentwicklung zu erleichtern.

    Systemmodell

    Das Systemmodell dient als Grundlage für MBSE und bietet eine formale, strukturierte Darstellung eines Systems, die seine Komponenten, sein Verhalten, seine Beziehungen und seine Interaktionen erfasst. Dieser digitale Entwurf ermöglicht es Teams,

    • umfassende Systemdarstellungen zu erstellen
    • Analyse von Designalternativen
    • Validierung der Systemleistung
    • Unterstützung der kollaborativen Entwicklung
    • Aufrechterhaltung der Designkonsistenz

    Modellierungssprache

    Eine formale Modellierungssprache bietet die standardisierte Syntax und Semantik für die Erstellung und Weiterentwicklung von Systemmodellen. Zu den am häufigsten verwendeten Sprachen gehören:

    SysML (Systems Modeling Language)

    SysML basiert auf UML, wurde jedoch speziell für die Anforderungen des Systems Engineering erweitert und bietet eine standardisierte Notation, die eine konsistente Kommunikation und Verständigung zwischen den Entwicklungsteams ermöglicht und gleichzeitig eine umfassende Systemdarstellung unterstützt.

    Domänenspezifische Sprachen (DSLs)

    Diese spezialisierten Sprachen sind auf bestimmte Branchen oder Anwendungen zugeschnitten und ermöglichen es Teams, komplexe Domänenkonzepte effizienter auszudrücken und gleichzeitig die für die Systemmodellierung erforderliche Genauigkeit beizubehalten.

    Anforderungsmanagement

    Die Anforderungsmanagement-Funktionalität ermöglicht es Teams, Systemanforderungen während des gesamten Entwicklungslebenszyklus zu erfassen, zu verfolgen und zu verwalten. Zu den wichtigsten Funktionen gehören:

    • Direkte Verknüpfung von Anforderungen mit Systemmodellelementen
    • Rückverfolgbarkeit von allgemeinen Anforderungen bis hin zum detaillierten Entwurf
    • Echtzeit-Validierung anhand von Anforderungen
    • Analyse der Auswirkungen von Änderungen
    • Verfolgung der Anforderungsüberprüfung

    Simulation und Analyse (SAM)

    MBSE umfasst Simulationsmodelle, mit denen Ingenieure die Systemleistung analysieren, Entwürfe optimieren und „Was-wäre-wenn“-Szenarien vor der physischen Umsetzung untersuchen können, darunter:

    • Verhaltenssimulationen: Testen Sie, wie das System auf verschiedene Eingaben, Zustände oder Interaktionen reagiert.
    • Parametrische Analyse: Bewerten Sie die Systemleistung, indem Sie Schlüsselparameter (z. B. Gewicht, Kosten, Energieverbrauch) und deren Beziehungen modellieren.
    • Tool-Integration: MBSE lässt sich mit verschiedenen Simulations-Tools wie MATLAB/Simulink integrieren, um erweiterte Analysen durchzuführen.

    Diese umfassende Simulationsumgebung ermöglicht es Teams, Entwürfe gründlich zu validieren, bevor sie zur physischen Umsetzung übergehen.

    Lebenszyklus-Management

    Die Lebenszyklus-Management-Komponente bietet eine zentrale Steuerung der gesamten MBSE-Umgebung. Sie ermöglicht:

    Zusammen bilden diese Komponenten eine integrierte Umgebung, die ein umfassendes System-Engineering vom Konzept bis zur Stilllegung unterstützt. Der durch diese Komponenten geschaffene digitale Faden gewährleistet Konsistenz und Rückverfolgbarkeit in allen Aspekten der Systementwicklung.

    Der MBSE-Arbeitsablauf

    Der typische MBSE-Prozess umfasst die folgenden Schritte:

    Schritt 1. Festlegung der Anforderungen

    Zunächst entwickelt das Ingenieurteam Anforderungen auf der Grundlage der Bedürfnisse aller Beteiligten, einschließlich der Benutzer, der Unternehmensleitung und der Regulierungsbehörden. Einige Teams nutzen Software, um alle Anforderungen zu erfassen und zu verwalten.

    Schritt 2: Entwurf des Systems

    Als Nächstes beginnt das Team mit dem Entwurf eines Systems, das den festgelegten Anforderungen entspricht. Sie verwenden MBSE, um visuelle Modelle der einzelnen Komponenten innerhalb des Systems zu erstellen. Es enthält auch Funktionen, mit denen sie jeden Teil des Systems auf die ursprünglichen Anforderungen zurückführen können.

    Das Team modelliert dann, wie das System unter verschiedenen Bedingungen funktioniert, und hilft ihnen so zu verstehen, wie es auf reale Anwendungsfälle reagieren wird.

    Schritt 3: Risikoanalyse

    Anschließend führen die Ingenieure Risikoanalysen für das System durch, einschließlich technischer Leistung, Kosten, Sicherheit usw. Sie reagieren auf diese Risiken mit vorbeugenden Maßnahmen und stellen so sicher, dass das Endprodukt nur minimale Risiken aufweist.

    Schritt 4: Validierung der Modelle

    Als Nächstes überprüft das Ingenieurteam die Modelle. Sie führen eine Reihe von Tests durch, um sicherzustellen, dass sie genau und zuverlässig sind und den Anforderungen entsprechen.

    Schritt 5: Aufbau des Systems

    Nach der Validierung der Modelle kann das Team mit der Herstellung des Systems beginnen und sicherstellen, dass es den Anforderungen und Standards entspricht.

    Schritt 6: Wartung des Systems

    Das MBSE dient weiterhin als zentrale Informationsquelle, während das Team das Produkt herstellt. Es verfolgt Feedback aus der realen Welt, Probleme vor Ort und andere wertvolle Informationen und bietet den Teams einen Raum für die Zusammenarbeit, um das System kontinuierlich zu verbessern.

    Anwendungsfälle für modellbasierte Systemtechnik

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

    • Die Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsindustrie entwickelt komplexe Systeme mit detaillierten Spezifikationen und Nischen-Anwendungsfällen. Diese Teams nutzen MBSE, um genau zu verstehen, wie das System in verschiedenen realen Szenarien funktionieren wird.
    • Die Automobilindustrie nutzt MBSE, um detaillierte Modelle komplexer moderner Autos zu erstellen, die sowohl physische als auch Softwarekomponenten umfassen.
    • Die Engineering-, Beschaffungs- und Bauindustrie (EPC) verlässt sich auf MBSE, um die Rückverfolgbarkeit während der gesamten Produktion komplexer Anlagen zu gewährleisten.
    • Hightech-Branchen, die physische Infrastruktur und fortschrittliche Software miteinander verbinden, nutzen MBSE, um innovative Produkte auf den Markt zu bringen und mit dem raschen Wandel Schritt zu halten.
    • Organisationen der industriellen Fertigung setzen auf MBSE, um komplexe Produkte zu einem Bruchteil der Kosten und der Zeit zu bauen, die manuelle Prozesse und unterschiedliche Werkzeuge erfordern würden.
    • Die medizinische Industrie nutzt MBSE, um sichere, konforme Geräte mit minimalen Rückrufaktionen herzustellen.

    Herausforderungen bei der modellbasierten Systemtechnik

    Organisationen, die MBSE implementieren, stehen vor mehreren großen Herausforderungen, die sorgfältige Überlegungen und strategische Planung erfordern, um sie zu bewältigen:

    Primäre Herausforderungen bei der Implementierung

    • Kulturelle Widerstände und Änderungsmanagement: Teams, die an traditionelle dokumentenbasierte Methoden gewöhnt sind, sträuben sich oft gegen den Übergang zu modellbasierten Ansätzen. Um solche Widerstände zu überwinden, sind umfassende Schulungsprogramme, eine klare Kommunikation der Vorteile und eine nachhaltige Unterstützung durch die Führungsebene erforderlich, um die interdisziplinäre Zusammenarbeit zu fördern und bestehende Silos aufzubrechen.
    • Technische Integrationsprobleme: Die Integration verschiedener MBSE-Tools und die Sicherstellung der Kompatibilität zwischen verschiedenen Plattformen kann eine Herausforderung darstellen. Organisationen müssen ihren Technologie-Stack sorgfältig planen und klare Standards für die Tool-Integration und den Datenaustausch festlegen.
    • Ressourceninvestitionen: Organisationen müssen über die anfänglichen Software- und Infrastrukturkosten hinaus erhebliche Ressourcen bereitstellen. Dazu gehören Investitionen in umfassende Schulungsprogramme, die Einstellung von Fachpersonal, die Wartung von Systemen und die Optimierung von Prozessen bei gleichzeitiger Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Anpassung und Integration der Tools im gesamten Unternehmen.

    Weitere Überlegungen

    • Komplexität des Datenmanagements: Verwaltung großer Mengen miteinander verbundener Modelldaten unter Wahrung der Konsistenz und Versionskontrolle über mehrere Teams und Standorte hinweg.
    • Einführung von Standards: Orientierung in der sich entwickelnden Landschaft der MBSE-Standards und Sicherstellung der Einhaltung bei gleichzeitiger Wahrung der Flexibilität für organisationsspezifische Anforderungen.
    • Leistungsskalierbarkeit: Sicherstellung der Systemleistung und Reaktionsfähigkeit bei zunehmender Größe und Komplexität der Modelle, insbesondere bei großen Ingenieurprojekten.

    Diese Herausforderungen sind zwar beträchtlich, können aber durch eine angemessene Planung, die Einbindung von Interessengruppen und einen schrittweisen Implementierungsansatz, der die schrittweise Einführung und Optimierung von MBSE-Praktiken ermöglicht, effektiv bewältigt werden.

    Erste Schritte mit MBSE

    Die Einführung von MBSE in Ihrem Unternehmen erfordert die richtigen Technologien und Prozesse. Viele Teams verfolgen einen agilen Ansatz, um strategisch Funktionen einzuführen, die dies unterstützen. Auf diese Weise können sie nach und nach Tools freigeben, Teammitglieder angemessen in der Nutzung der neuen Funktionen schulen und die Funktionsweise des MBSE-Systems im Laufe der Zeit testen. Wie bei jedem Softwareentwicklungsprojekt sollte das Team die wichtigsten Leistungsindikatoren messen, um sicherzustellen, dass die implementierten Technologien und Prozesse ihre Ziele erfüllen.

    Eine Technologie wie Aras Innovator® ist ein guter Ausgangspunkt für die Einrichtung eines zentralisierten MBSE-Prozesses. Sie bietet mehrere Funktionen, die Teams bei der Umsetzung eines maßgeschneiderten Ansatzes für MBSE unterstützen, der speziell auf ihre einzigartigen Produkt- und Geschäftsziele zugeschnitten ist. Durch die Zentralisierung von Produktdaten und -modellen aus jeder Phase des Lebenszyklus entsteht ein PLM-verwalteter digitaler Thread, den die Beteiligten in Echtzeit nutzen können.

    Aras Innovator bietet mehrere Funktionen, die Teams bei der Umsetzung eines maßgeschneiderten Ansatzes für MBSE unterstützen, der speziell auf ihre einzigartigen Produkt- und Geschäftsziele zugeschnitten ist. So ist beispielsweise Aras DevOps für alle Aras SaaS-Kunden enthalten, sodass Teams ihre Aras Innovator-Instanz anpassen können. Wir bieten auch fortschrittliche digitale Zwillinge für die Erstellung benutzerfreundlicher Modelle von beliebigen Anlagen oder Anlagensystemen.

    Häufig gestellte Fragen zu MBSE

    Hier finden Sie Antworten auf häufig gestellte Fragen zum Thema Model-Based Systems Engineering, um einige in der Branche häufig auftretende Missverständnisse zu klären.

    Was ist der Unterschied zwischen Agile und MBSE?

    MBSE ist eine Methodik, die digitale Modelle zur Definition und Analyse von Systemfunktionen verwendet, während es sich bei Agile um einen iterativen Ansatz für das Projektmanagement und die Entwicklung handelt. Die beiden können effektiv zusammenarbeiten – Agile MBSE kombiniert die Flexibilität und den iterativen Charakter von Agile mit dem modellbasierten Ansatz von MBSE. Jüngste Implementierungen haben gezeigt, dass durch die Verwendung von Agile mit MBSE die Arbeitsstunden im Vergleich zu herkömmlichen dokumentenbasierten Ansätzen um bis zu 71 % reduziert werden können.

    Ist MBSE ein Rahmenwerk?

    Nein, MBSE ist kein Rahmenwerk, sondern eine Methodik, die Modelle zur Unterstützung des gesamten Lebenszyklus eines Systems verwendet, von der Konzeption über die Entwicklung bis hin zur Außerbetriebnahme. Es stellt einen Paradigmenwechsel von der dokumentenzentrierten zur modellzentrierten Technik dar, bei der digitale Modellierung und Simulation zur Gestaltung von Systemen eingesetzt werden. MBSE kann innerhalb verschiedener Rahmenwerke funktionieren und an Projekte unterschiedlicher Größe und Komplexität angepasst werden.

    Was ist der Unterschied zwischen PLM und MBSE?

    Product Lifecycle Management (PLM) und MBSE haben sich aus unterschiedlichen Anforderungen heraus entwickelt und dienen unterschiedlichen Zwecken. PLM konzentriert sich auf die Verwaltung aller Informationen rund um ein hergestelltes Produkt während seines gesamten Lebenszyklus, während MBSE den Schwerpunkt auf die Erstellung und Verwendung von Modellen zur Definition und Analyse von Systemfunktionen legt.

    Während PLM-Systeme Dokumente und Metadaten verarbeiten, stellt MBSE semantische Modelle mit Bedeutung bereit und konzentriert sich auf das Systemverhalten und die Systemarchitektur. Moderne Implementierungen integrieren oft beide Ansätze, um eine umfassende Produktentwicklungsumgebung zu schaffen.

    Wie wähle ich ein MBSE-Tool aus?

    Die Auswahl eines MBSE-Tools sollte mit der Definition der spezifischen Anforderungen und Anwendungsfälle Ihrer Organisation beginnen. Zu den wichtigsten Überlegungen gehören die Unterstützung der Modellierungssprache des Tools (z. B. SysML oder UML), die intuitive Benutzeroberfläche, die Funktionen für die Zusammenarbeit und die Integrationsmöglichkeiten mit bestehenden Systemen.

    „Wenn bei der Verwendung einer Systemmodellierungssprache (z. B. SysML und seine Diagramme) nicht berücksichtigt wird, wie das Modell von anderen verwendet wird, führt dies zu unnötig komplexen Systemmodellen“, warnt Paweł Z. Chądzyński, Senior Director of Strategic Research bei Aras. ‚Dadurch werden die Hauptziele von MBSE vereitelt: die Systemkomplexität besser zu verwalten und Risiken zu minimieren, indem eine disziplinübergreifende Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen technischen Bereichen ermöglicht wird‘, fügt er hinzu.

    Das gewählte MBSE-Tool sollte wiederum auf seine Skalierbarkeit, Leistung bei großen Modellen und den Umfang des Anbieter-Supports und der verfügbaren Schulungen geprüft werden.

    Wie kann ich MBSE richtig anwenden?

    Eine erfolgreiche MBSE-Anwendung erfordert einen strategischen Ansatz, beginnend mit klaren Zielen und einem stufenweisen Implementierungsplan. Organisationen sollten mit Pilotprojekten beginnen, die einen echten Mehrwert schaffen, und nicht nur mit didaktischen Übungen. Es ist unerlässlich, allen beteiligten Ingenieuren umfassende Schulungen anzubieten, ein angemessenes Budget und eine angemessene Zeitzuweisung für den Einführungsprozess sicherzustellen und eine ordnungsgemäße Dokumentation der neuen MBSE-Prozesse zu erstellen.

    Bei der Umsetzung sollte der Schwerpunkt auf der Schaffung einer kollaborativen Umgebung liegen, in der Ingenieure aus verschiedenen Fachbereichen effektiv arbeiten können, während eine einzige Informationsquelle für die Systementwicklung beibehalten wird.

    Was ist MBSE im Ingenieurwesen?

    MBSE ist die formalisierte Anwendung der Modellierung zur Unterstützung von Systemanforderungen, Design, Analyse, Verifizierung und Validierung während des gesamten Lebenszyklus eines Systems. Es stellt eine Verlagerung von der dokumentenzentrierten zur modellzentrierten Technik dar, bei der digitale Modellierung und Simulation für das Design von Systemen verwendet werden.

    Diese Methodik ermöglicht eine bessere Kommunikation zwischen den Beteiligten, reduziert Fehler durch frühzeitige Erkennung und bietet eine effizientere Möglichkeit, komplexe Systeme zu verwalten. MBSE erstellt einen digitalen Thread, der die Konsistenz und Rückverfolgbarkeit in allen Aspekten der Systementwicklung sicherstellt, von der Konzeption bis zur Stilllegung.