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Qu’est-ce que l’ingénierie des systèmes basée sur des modèles (MBSE) ?

L’ingénierie des systèmes basée sur des modèles (MBSE) consiste à utiliser des modèles numériques (plutôt que des documents ou des diagrammes informels) pour définir et analyser les fonctions, la structure et le comportement d’un système. Elle prend en charge les activités de définition des exigences, de conception, d’analyse, de vérification et de validation d’un système, depuis la phase de conception jusqu’aux phases de développement et de cycle de vie ultérieures. La méthodologie MBSE est essentielle pour gérer la complexité croissante des systèmes modernes.

La MBSE est un moteur essentiel pour passer des approches traditionnelles centrées sur les documents à une approche centrée sur les modèles. Cette approche utilise des modèles visuels interconnectés pour échanger des informations entre les ingénieurs système et les parties prenantes. Cette méthodologie permet aux équipes de créer des représentations numériques complètes des systèmes qui permettent une évaluation rapide des différentes options et scénarios de conception tout en maintenant la traçabilité tout au long du processus de développement.

Le marché mondial de l’ingénierie des systèmes basée sur les modèles, évalué à environ 2,5 milliards de dollars en 2023, devrait atteindre 7,8 milliards de dollars d’ici 2032, ce qui reflète la reconnaissance croissante de son importance dans le développement de systèmes modernes. Cette croissance est particulièrement évidente dans des secteurs tels que l’automobile, l’aérospatiale et la défense, où les fabricants utilisent l’ingénierie des systèmes basée sur les modèles non seulement pour rationaliser le développement de produits et réduire les délais de mise sur le marché, mais aussi pour permettre des mises à jour et des améliorations continues des caractéristiques des produits.

Avantages de l’ingénierie des systèmes basée sur les modèles

L’ingénierie des systèmes basée sur les modèles est très efficace en raison de son approche structurée, visuelle et intégrée de la gestion des systèmes complexes tout au long de leur cycle de vie. Cela est dû à l’utilisation de langages de modélisation de systèmes tels que SysML. SysML est un langage de modélisation standardisé et polyvalent conçu pour spécifier, analyser, concevoir et vérifier des systèmes complexes, y compris le matériel, les logiciels, les informations, les processus, le personnel et les installations. L’ingénierie des systèmes basée sur les modèles offre les avantages suivants :

• Définition centralisée de l’intention de conception, avec des modèles interactifs qui permettent aux équipes de conception et aux autres parties prenantes de l’organisation de se référer à des données précises et cohérentes
• Représentation efficace de la complexité, avec des diagrammes interactifs et d’autres représentations conviviales du comportement du système
• Réduction du temps de conception, car elle permet aux ingénieurs système d’effectuer des analyses en une fraction du temps qu’il faudrait pour effectuer les mêmes tâches manuellement
• Alignement sur le processus de cycle de vie avec des modèles numériques que les plateformes PLM modernes, y compris la gestion des modifications, le contrôle des révisions, les contrôles d’accès et d’autres services PLM de cycle de vie, peuvent gérer
• Conceptions et qualité plus performantes grâce à des données de simulation intégrées et à une configuration harmonieuse du système
• Détection précoce des problèmes de conception grâce au prototypage et à l’analyse virtuels, réduisant ainsi les modifications coûteuses en fin de cycle
• Collaboration améliorée grâce à l’élimination des silos et à la création de canaux de communication ouverts
• Amélioration de la gestion des risques grâce à l’identification précoce des problèmes et à des stratégies d’atténuation proactives
• Meilleure gestion des exigences grâce à la mise en relation directe des exigences avec les composants du système

Principaux composants de l’ingénierie des systèmes basée sur les modèles

La méthodologie MBSE comprend plusieurs composants clés qui fonctionnent ensemble pour créer une définition virtuelle complète d’un système et faciliter l’intégration interdisciplinaire tout au long du développement du produit.

Modèle de système

Le modèle de système sert de base à la MBSE, fournissant une représentation formelle et structurée d’un système qui capture ses composants, son comportement, ses relations et ses interactions. Ce plan numérique permet aux équipes de :

• Créer des représentations complètes du système
• Analyser les alternatives de conception
• Valider les performances du système
• Soutenir le développement collaboratif
• Maintenir la cohérence de la conception

Langage de modélisation

Un langage de modélisation formel fournit la syntaxe et la sémantique normalisées pour créer et faire évoluer les modèles de système. Les langages les plus utilisés sont les suivants :

SysML (Systems Modeling Language)

Basé sur UML mais étendu spécifiquement pour les besoins de l’ingénierie des systèmes, SysML fournit une notation normalisée qui permet une communication et une compréhension cohérentes entre les équipes d’ingénierie tout en soutenant une représentation complète du système.

Langages spécifiques à un domaine (DSL)

Ces langages spécialisés sont adaptés à des secteurs ou des applications spécifiques, ce qui permet aux équipes d’exprimer plus efficacement des concepts de domaine complexes tout en conservant la rigueur nécessaire à la modélisation des systèmes.

Gestion des exigences

La fonctionnalité de gestion des exigences permet aux équipes de saisir, de suivre et de gérer les exigences du système tout au long du cycle de développement. Les principales fonctionnalités sont les suivantes :

• Liaison directe des exigences aux éléments du modèle du système
• Traçabilité des besoins de haut niveau à la conception détaillée
• Validation en temps réel par rapport aux exigences
• Analyse de l’impact des changements
• Suivi de la vérification des exigences

Simulation et analyse (SAM)

Le MBSE intègre des modèles de simulation qui permettent aux ingénieurs d’analyser les performances du système, d’optimiser les conceptions et d’explorer des scénarios de simulation avant la mise en œuvre physique, notamment :

• Simulations comportementales : Tester la façon dont le système réagit à diverses entrées, états ou interactions.
• Analyse paramétrique : Évaluer les performances du système en modélisant les paramètres clés (par exemple, le poids, le coût, la consommation d’énergie) et leurs relations.
• Intégration d’outils : MBSE s’intègre à divers outils de simulation, tels que MATLAB/Simulink, pour effectuer des analyses avancées.

Cet environnement de simulation complet permet aux équipes de valider les conceptions de manière approfondie avant de passer à la mise en œuvre physique.

Gestion du cycle de vie

La composante de gestion du cycle de vie permet un contrôle centralisé de l’ensemble de l’environnement MBSE. Elle permet :

• Le contrôle des versions et la gestion de la configuration
• Le suivi et la gouvernance des changements
• La collaboration multi-utilisateurs
• La gestion du référentiel de modèles
• L’intégration avec les systèmes PLM

Ensemble, ces composants créent un environnement intégré qui prend en charge l’ingénierie système complète, de la conception à la mise hors service. Le fil numérique établi par ces composants garantit la cohérence et la traçabilité de tous les aspects du développement du système.

Le flux de travail MBSE

Le processus MBSE type comprend les étapes suivantes :

Étape 1. Définition des exigences

Tout d’abord, l’équipe d’ingénierie élabore les exigences en fonction des besoins de toutes les parties prenantes, y compris les utilisateurs, les chefs d’entreprise et les autorités réglementaires. Certaines équipes utilisent des logiciels pour les aider à saisir et à gérer toutes les exigences.

Étape 2 : conception du système

Ensuite, l’équipe commence à concevoir un système qui répond aux exigences établies. Elle utilise MBSE pour créer des modèles visuels de chaque composant du système. Cela inclut également des fonctionnalités qui lui permettent de faire correspondre chaque partie du système aux exigences initiales.

L’équipe modélise ensuite les performances du système dans diverses conditions, ce qui l’aide à comprendre comment il réagira aux cas d’utilisation réels.

Étape 3 : analyse des risques

Ensuite, les ingénieurs effectuent des analyses de risques sur le système, notamment en termes de performances techniques, de coûts, de sécurité, etc. Ils répondent à ces risques par des mesures préventives, garantissant que le produit final présente des risques minimes.

Étape 4 : Validation des modèles

Ensuite, l’équipe d’ingénierie vérifie les modèles. Elle effectue une série de tests pour s’assurer qu’ils sont précis, fiables et conformes aux exigences.

Étape 5 : Construction du système

Après avoir validé les modèles, l’équipe peut commencer à fabriquer le système, en s’assurant qu’il répond aux exigences et aux normes.

Étape 6 : Maintenance du système

L’ingénierie des systèmes basée sur les modèles continue de servir de source centrale d’informations pendant que l’équipe fabrique le produit. Elle suit les retours d’expérience, les problèmes sur le terrain et d’autres informations précieuses, offrant aux équipes un espace de collaboration pour améliorer continuellement le système.

Cas d’utilisation de l’ingénierie des systèmes basée sur les modèles

Plusieurs secteurs d’activité utilisent l’ingénierie des systèmes basée sur des modèles (MBSE) pour centraliser le développement et la production de systèmes. Voici quelques exemples d’entreprises à forte intensité de produits qui s’appuient sur la MBSE pour assurer leur réussite :

• L’industrie aérospatiale et de la défense développe des systèmes complexes avec des spécifications détaillées et des cas d’utilisation de niche. Ces équipes utilisent la MBSE pour comprendre précisément comment le système fonctionnera dans divers scénarios réels.
• L’industrie automobile exploite la MBSE pour créer des modèles détaillés de voitures modernes complexes, comprenant à la fois des composants physiques et logiciels.
• Les industries de l’ingénierie, de l’approvisionnement et de la construction (EPC) s’appuient sur l’MBSE pour assurer la traçabilité tout au long de la production d’actifs complexes.
• Les industries de haute technologie qui combinent infrastructures physiques et logiciels avancés utilisent l’MBSE pour lancer des produits innovants et s’adapter à des changements rapides.
• Les organisations de fabrication industrielle se tournent vers l’MBSE pour fabriquer des produits complexes à un coût et dans un délai bien inférieurs à ceux des processus manuels et des outils disparates.
• L’industrie médicale utilise l’MBSE pour créer des dispositifs sûrs et conformes avec un minimum de rappels.

Les défis de l’ingénierie des systèmes basée sur les modèles

Les entreprises qui mettent en œuvre l’ingénierie des systèmes basée sur les modèles (MBSE) sont confrontées à plusieurs défis importants qui nécessitent une réflexion approfondie et une planification stratégique pour être surmontés :

Principaux défis de la mise en œuvre

• Résistance culturelle et gestion du changement : les équipes habituées aux méthodes traditionnelles basées sur des documents résistent souvent à la transition vers des approches basées sur des modèles. Pour surmonter cette résistance, il faut mettre en place des programmes de formation complets, communiquer clairement les avantages et bénéficier d’un soutien constant de la direction afin de favoriser la collaboration interdisciplinaire et de décloisonner les équipes.
• Problèmes d’intégration technique : l’intégration de divers outils MBSE et la garantie de la compatibilité entre différentes plateformes peuvent s’avérer difficiles. Les entreprises doivent planifier soigneusement leur pile technologique et établir des normes claires pour l’intégration des outils et l’échange de données.
• Investissement en ressources : les entreprises doivent engager des ressources importantes au-delà des coûts initiaux de logiciels et d’infrastructure. Il s’agit notamment d’investir dans des programmes de formation complets, de recruter du personnel qualifié, de maintenir les systèmes et d’optimiser les processus tout en garantissant une personnalisation et une intégration appropriées des outils dans l’ensemble de l’entreprise.

Considérations supplémentaires

• Complexité de la gestion des données : gérer de grands volumes de données de modèles interconnectés tout en assurant la cohérence et le contrôle des versions entre plusieurs équipes et sites.
• Adoption des normes : naviguer dans le paysage en constante évolution des normes MBSE et assurer la conformité tout en conservant une certaine flexibilité pour les besoins spécifiques de l’organisation.
• Évolutivité des performances : garantir les performances et la réactivité du système à mesure que les modèles gagnent en taille et en complexité, en particulier dans les projets d’ingénierie à grande échelle.

Bien que ces défis soient importants, ils peuvent être gérés efficacement grâce à une planification adéquate, à l’engagement des parties prenantes et à une approche de mise en œuvre progressive qui permet l’adoption et l’optimisation graduelles des pratiques MBSE.

Premiers pas avec MBSE

La mise en place de l’MBSE au sein de votre organisation nécessite les technologies et les processus appropriés. De nombreuses équipes adoptent une approche agile pour déployer stratégiquement les fonctionnalités qui la soutiennent. De cette façon, elles peuvent progressivement mettre à disposition des outils, former adéquatement les membres de l’équipe à l’utilisation des nouvelles fonctionnalités et tester le fonctionnement du système MBSE au fil du temps. Comme pour tout projet de développement logiciel, l’équipe doit mesurer les indicateurs de performance clés, en s’assurant que les technologies et les processus mis en œuvre répondent à leurs objectifs.

Une technologie telle qu’Aras Innovator® est un excellent point de départ pour établir un processus MBSE centralisé. Elle offre plusieurs fonctionnalités pour aider les équipes à mettre en œuvre une approche personnalisée de la MBSE, spécialement conçue pour leurs objectifs produits et commerciaux uniques. La centralisation des données et des modèles produits à chaque étape du cycle de vie crée un fil numérique géré par le PLM que les parties prenantes peuvent utiliser en temps réel.

Aras Innovator offre plusieurs fonctionnalités pour aider les équipes à mettre en œuvre une approche personnalisée de l’ingénierie des systèmes basée sur des modèles, conçue spécifiquement pour leurs objectifs uniques en matière de produits et d’activités. Par exemple, Aras DevOps est inclus pour tous les clients Aras SaaS, ce qui permet aux équipes de personnaliser leur instance Aras Innovator. Nous proposons également des jumeaux numériques avancés pour créer des modèles conviviaux de tout actif ou système d’actifs.

FAQ courantes sur l’ingénierie des systèmes basée sur des modèles

Voici les réponses aux questions fréquemment posées sur l’ingénierie des systèmes basée sur les modèles afin de clarifier certains points de confusion courants dans l’industrie.

Quelle est la différence entre l’Agile et l’MBSE ?

Alors que l’ingénierie des systèmes basée sur les modèles (MBSE) est une méthodologie qui utilise des modèles numériques pour définir et analyser les fonctions d’un système, l’agilité est une approche itérative de la gestion et du développement de projets. Les deux peuvent fonctionner efficacement ensemble : l’agilité et la MBSE combinent la flexibilité et la nature itérative de l’agilité avec l’approche basée sur les modèles de la MBSE. Des mises en œuvre récentes ont montré que l’utilisation de l’agilité avec la MBSE peut réduire les heures de travail de jusqu’à 71 % par rapport aux approches traditionnelles basées sur des documents.

La MBSE est-elle un cadre ?

Non, le MBSE n’est pas un cadre de travail, mais plutôt une méthodologie qui utilise des modèles pour soutenir l’ensemble du cycle de vie d’un système, de la conception au développement jusqu’à la mise hors service. Il représente un changement de paradigme, passant d’une ingénierie centrée sur les documents à une ingénierie centrée sur les modèles, utilisant la modélisation et la simulation numériques pour concevoir des systèmes. Le MBSE peut fonctionner dans différents cadres et peut être adapté à des projets de tailles et de complexités différentes.

Quelle est la différence entre le PLM et le MBSE ?

La gestion du cycle de vie des produits (PLM) et l’ingénierie des systèmes basée sur les modèles (MBSE) ont évolué à partir d’exigences différentes et servent des objectifs différents. La PLM se concentre sur la gestion de toutes les informations relatives à un produit manufacturé tout au long de son cycle de vie, tandis que la MBSE met l’accent sur la création et l’utilisation de modèles pour définir et analyser les fonctions du système.

Alors que les systèmes PLM gèrent les documents et les métadonnées, la MBSE fournit des modèles sémantiques avec une signification et se concentre sur le comportement et l’architecture du système. Les implémentations modernes intègrent souvent les deux approches pour créer un environnement complet de développement de produits.

Comment choisir un outil MBSE ?

La sélection d’un outil MBSE doit commencer par la définition des besoins spécifiques et des cas d’utilisation de votre organisation. Les principaux critères à prendre en compte sont la prise en charge du langage de modélisation de l’outil (comme SysML ou UML), l’intuitivité de l’interface utilisateur, les fonctionnalités de collaboration et les capacités d’intégration avec les systèmes existants.

« Lorsque l’utilisation d’un langage de modélisation de systèmes (par exemple SysML et ses diagrammes) ne tient pas compte de la manière dont le modèle sera utilisé par d’autres, il en résulte des modèles de systèmes inutilement complexes », met en garde Paweł Z. Chądzyński, directeur principal de la recherche stratégique chez Aras. « En conséquence, les principaux objectifs de l’ingénierie des systèmes basée sur les modèles sont compromis : mieux gérer les complexités des systèmes et minimiser les risques en permettant une collaboration interdisciplinaire entre les domaines de l’ingénierie », ajoute-t-il.

L’outil MBSE choisi doit être évalué en fonction de son évolutivité, de ses performances avec des modèles volumineux, ainsi que du niveau de support du fournisseur et de la formation disponible.

Comment appliquer correctement le MBSE ?

Une application réussie de la MBSE nécessite une approche stratégique, à commencer par des objectifs clairs et un plan de mise en œuvre par étapes. Les organisations devraient commencer par des projets pilotes qui créent une réelle valeur ajoutée plutôt que de simples exercices didactiques. Il est essentiel de fournir une formation complète à tous les ingénieurs concernés, de garantir un budget et un temps suffisants pour le processus d’adoption et d’établir une documentation appropriée des nouveaux processus MBSE.

La mise en œuvre doit se concentrer sur la création d’un environnement collaboratif où les ingénieurs de différentes disciplines peuvent travailler efficacement tout en conservant une source unique de vérité pour le développement du système.

Qu’est-ce que le MBSE en ingénierie ?

Le MBSE est l’application formalisée de la modélisation pour soutenir les exigences du système, la conception, l’analyse, la vérification et les activités de validation tout au long du cycle de vie d’un système. Il représente un passage de l’ingénierie centrée sur les documents à l’ingénierie centrée sur les modèles, utilisant la modélisation et la simulation numériques pour concevoir des systèmes.

Cette méthodologie permet une meilleure communication entre les parties prenantes, réduit les erreurs grâce à une détection précoce et offre un moyen plus efficace de gérer des systèmes complexes. La MBSE crée un fil numérique qui garantit la cohérence et la traçabilité de tous les aspects du développement du système, de la conception à la mise hors service.