Lost in Translation – Wie MBSE die Herausforderungen der komplexen Welt von heute lösen helfen kann

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Die Komplexität moderner Projekte wächst schneller als unsere Fähigkeit, sie zu bewältigen. Traditionelle Methoden des Projektmanagements geraten dabei zusehends unter Druck, doch Fortschritte im Bereich des modellbasierten Systems Engineering (MBSE) versprechen Hilfe. David Long, Präsident des System-Engineering-Unternehmens Vitech, erklärt, das Prinzip. 
„Jedes Unternehmen, das sich mit der Entwicklung komplexer Systeme beschäftigt, kennt die folgenden vier Phänomene„, sagt David Long, Präsident des MBSE-Unternehmens Vitech, das im vergangenen Jahr Teil von Zuken wurde: „Erstens wächst die Komplexität unserer Projekte schneller als unsere Fähigkeit, sie zu beherrschen. Zweitens verwalten wir derzeit eher die Teilaspekte des Problems als das Zusammenspeil des Ganzen, und das führt zu Systemen, die übermäßig komplex, schwer zu testen und teuer sind. Drittens geht auch innerhalb von Projekten Wissen verloren, insbesondere an den Übergängen zwischen den verschiedenen Phasen des ProduktentstehungsprozessesDies erhöht das Risiko, dass Probleme erst spät entdeckt und deshalb mit hohem Kostenaufwand behoben werden. Und schließlich geht zwischen verschiedenen Projekten wertvolles Wissen wieder verloren. Es scheint, dass wir einfach nicht aus unseren Erfahrungen lernen“. 

Wir haben die Möglichkeiten der Silos ausgereizt 

Mit anderen Worten, wir haben die Möglichkeiten der Silos ausgereizt, die wir zur Lösung technischer Probleme aufgebaut haben. Darüber hinaus haben wir es heute mit einer größeren Anzahl von Silos tun als jemals zuvor: Inzwischen arbeiten nicht mehr nur Hardware-, Software- und Maschinenbauingenieure an einer Gesamtlösung zusammen, sondern auch Kunden, Lieferanten, Biologen (z.B. für ein medizinisches Gerät), der Experten für funktionale Sicherheit (z.B. für ein autonomes Fahrzeug) und wir müssen uns mit sehr verschiedenen Umgebungen und Akteuren in einer zunehmend vernetzten Welt abstimmen„Die Silos, die wir aufgebaut haben, führen dazu, dass wir viele kritische Aspekte ignorieren“, fasst David zusammen. „Das ist der Grund, warum es Systems Engineering gibt, und das ist der Grund, warum sich Systems Engineering als Disziplin selbst weiterentwickeln muss.   

Ein Dolmetscher für Verständigung zwischen Hardware-, Mechanik- und Software-Entwicklern

Systems Engineering wird als Methodik seit mehreren Jahrzehnten entwickelt und verfeinert, um mit den technischen Herausforderungen komplexer Systeme Schritt zu halten; dabei ist es unabhängig, ob das „System“ ein eigenständiges Produkt ist oder, ein Element das mit anderen interagiert – was in zunehmendem Maße der Fall ist. „Die Aufgabenstellungen des Systems Engineering sind disziplinübergreifend. Die Aufgabe der Systemingenieure ist es dabei sicherzustellen, dass die beteiligten Disziplinen möglichst verlustfrei zusammenarbeiten können„, sagt David. In der Vergangenheit erfolgte der Informationsaustausch zwischen den Beteiligten über Dokumente und Zeichnungen.  

Die Rolle eines Systemingenieurs war dabei im Prinzip immer die eines Übersetzers. In der nicht allzu fernen Vergangenheit beispielsweise, als Systeme vorwiegend elektromechanisch waren und allenfalls ein paar Zeilen Code oder einen Mikroprozessor beinhalteten, operierte der Systemingenieur auf übergeordneter Ebene über den Hardware-, Mechanik- und Softwaresilos, um das Verständnis aller Parteie) sowohl des Problems als auch der Lösung auf den selben Stand zu bringen. „Wir begleiteten die Arbeit vom ersten Konzept über die Detailentwicklung bis hinein in die Fertigungsabläufe und Tests. Und wir haben dabei eine Reihe von großartigen Ergebnissen erzielt. Jetzt aber steht die Industrie vor dem nächsten Schritt, dem Übergang zum ‚modellbasierten‘ Arbeiten. 

Vom Dokument zum Modell: UML und SysML

n den 1990er Jahren, als sich die Systeme von elektromechanischen Systemen zu „softwareintensiven“ Systemen weiterentwickelten, stieg die Systemkomplexität und damit auch die Herausforderungen an die Kommunikation zwischen System- und Softwareingenieuren sprunghaft an. Um beiden Herausforderungen gerecht zu werden, experimentierten einige Ingenieure mit der Anwendung der Modellierungssprache für Softwaresysteme UML. Die Unified Modelling Language UML wurde dabei 1997 zum Standard erhoben. Sie war jedoch nicht dafür gedacht, über die Grenzen der Softwareentwicklung hinaus zu agieren. Zwar hatte sich die Kommunikation zwischen Software- und Systemingenieuren verbessert, aber die Hardware- und Maschinenbauingenieure hatten keine nennenswerten Vorteile. 

Die Lösung bestand darin, etwas Umfassenderes, aber gleichzeitig „kleineres und einfacheres“ als UML zu entwickeln; und so wurde die Systemmodellierungssprache SysML geboren, um die softwarezentrierten Einschränkungen von UML zu überwinden. Im Wesentlichen haben wir es mit einem diagrammzentrierten Ansatz zu tun, der sich auf einen Katalog von neun Standard-Diagrammtypen stützt, von denen sieben schon in UML verwendet wurden. Dazu kommen zwei Zusätze für Anforderungen und parametrische Spezifikationen, wobei letztere für Leistungs- und quantitative Analysen verwendet werden. Ist SysML also alles, was wir brauchen? Nicht ganz, sagt David. 

Doch was genau ist nötig, um eine Systembeschreibung expliziter, kohärenter und konsistenter zu gestalten? David hat eine klare Antwort: „Anstatt Diagramme zu zeichnen, sollten wir uns darauf konzentrieren, explizite (d.h. nicht interpretierbare) Informationsmodelle zu erstellen, um das für die Entwicklung eines Systems erforderliche Wissen zu erfassen, zu analysieren und zu vermitteln. 

Der Ansatz von Vitech – mehr als ein Diagramm 

Diesen Ansatz verfolgt Vitech mit seinem Produkt GENESYS. Anstatt mit Diagrammen zu arbeiten, wie es die meisten SysML-basierten Lösungen tun, arbeitet GENESYS mit umfangreichen technischen Daten-‚Paketen‘, die detaillierte Beschreibungen aller Systemelemente über beliebig viele Hierarchien hinweg enthalten können 

Ein solches Datenpaket enthält z.B. Schnittstellendefinitionen, eingehende und ausgehende Signale, die erforderliche Funktionalität, Randbedingungen und zugehörige Anforderungen bis hin zu Testvorgaben. Die in einer Datenbank gespeicherten Informationen in diesen Paketen können in einer Vielzahl von Formaten abgerufen und extrahiert werden, um den Informationsanforderungen einer heterogenen Gemeinschaft von Beteiligten gerecht zu werden, wobei die offensichtlichste und konventionellste Darstellung das traditionelle „Diagramm“ ist, wie es in SysML-basierten Ansätzen verwendet wird. 

 

Der Ansatz von Vitech: Vollständige technische Datenpakete, die in einer zentralen Datenbank gespeichert sind, ermöglichen die Extraktion von Informationen passend zu den Anforderungen der einzelnen Benutzer

 

Darüber hinaus kann das Systemmodell anhand der in den Datenpaketen enthaltenen Parameter simuliert werden, so dass sichergestellt ist, dass die Komponenten der Systeme in der gewünschten Weise zusammenwirken. Und hier liegt der wahre Wert des MBSE-Ansatzes von Vitech: „Durch die Verbindung von Architektur und Analyse können wir die Leistung eines Systems optimieren, bevor wir uns auf die Detailentwicklung festlegen, unabhängig davon, ob es sich dabei um ein Organisationsmodell oder eine komplexe Maschine handelt. 

Am Anfang einer digitalen Transformation 

Jeder, der frühere Paradigmen – wie z.B. das Product Lifecycle Management – von der Idee bis zur breiten Anwendung erlebt hat, weiß jedoch, dass die Branche noch einen langen Weg bis zur allgemeinen Akzeptanz zurücklegen muss. „Derzeit beobachten wir ein wachsendes Interesse in Bereichen wie der Automobilindustrie, der Medizintechnik oder von innovativen Unternehmen wie Apple, Google oder SpaceX „, sagt David. „Aber im Zuge digitale Transformation der Industrie werden wir rasche Fortschritte sehen“, sagt David. 

„Derzeit herrscht unter den Ingenieuren ein gewisses Maß an Unsicherheit gegenüber MBSE, und viele sehen es auch als eine Art von Bedrohung“, fasst David zusammen. „Es ist auf jeden Fall beängstigend, wenn man denkt, man müsse eine ganz neue Sprache erlernen und wir müssten die Art und Weise grundlegend ändern, wie arbeiten. Aber es wird weniger bedrohlich, wenn wir erkennen, dass wir auf einem guten Weg sind, Wissen effizienter zu vermitteln. “ 

Richard Warrilow
Richard Warrilow
Technical Author, Declaration Limited
Richard Warrilow is a Technical Author with Declaration Limited. He is a qualified electronics engineer and worked for GEC Marconi Avionics (now BAE SYSTEMS) during the 1990s on two high-profile fly-by-wire programmes before moving into technical journalism and, latterly, establishing Declaration in 2001. Richard still works closely with companies active in the aerospace sector and has written articles on subject matters ranging from the certification of programmable electronic components intended for use in aerospace applications through to systems for the in-flight refuelling of military aircraft.
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