Systems Engineering Ganzheitliche Sicht im Systems Engineering

Bei der Entwicklung von komplexen Produkten kommt das Systems Engineering als Entwicklungsmethode immer häufiger zum Einsatz. Doch was gibt es hierbei zu beachten, damit es reibungslos läuft?

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Durchgängige Digitalisierung von Produkten und Produktentwicklungsprozessen ist in aller Munde. Oft scheitert sie jedoch daran, dass eine ganzheitliche Sicht aller Beteiligten auf sämtliche Vorgänge entlang des gesamten Produktentstehungsprozesses fehlt. Konstrukteure müssen sich mit Nicht-CAD-Spezialisten austauschen können, Disziplinen wie Mechanik, Elektrik/Elektronik und Software zusammenwachsen, Daten überall verfügbar sein. Seit einigen Jahren wird Systems Engineering als vielversprechender Ansatz dafür diskutiert und angewendet. Man hofft auf sinkende Kosten, verbesserte Produktqualität und mehr Planungssicherheit. Zudem versprechen sich die Beteiligten einen besseren Umgang mit komplexer werdenden Produktentwicklungsprozessen.

Von der Systemanalyse bis zur Testphase

Die Deutsche Gesellschaft für Systems Engineering (GfSE) definiert Systems Engineering als eine umfassende Ingenieurtätigkeit, die zur effizienten und bewusst gestalteten Entwicklung komplexer Produkte notwendig ist. Die Aufgaben umfassen Systemanalyse, Anforderungsermittlung, Systementwicklung, Absicherung und Testphase. Ziel ist, die zahlreichen Funktionen unterschiedlicher Disziplinen in einem komplexen System möglichst modellbasiert zu beschreiben und mit vielen integrierten Projektbeteiligten auf nur einer Plattform zeitgleich zu bearbeiten. Um dabei einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten, ist es notwendig, den Entwicklungsprozess vollständig zu digitalisieren und die Entwicklungsdaten zu vereinheitlichen.

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Am einfachsten beschreiben lässt sich Systems Engineering als „V“ dargestelltes Vorgehensmodell mit interdisziplinärer Vernetzung. Dabei zeigt der linke Strang des V-Modells die Entwurfsphasen, der rechte die Testphasen. Systems Engineering in der mechatronischen Produktentwicklung gliedert sich in die drei Hauptphasen Systemanalyse, physikalische Entwicklung und Systemintegration. In der Systemanalyse wird das zu entwickelnde Produkt durch die Schritte Anforderungsdefinition, Funktionsanalyse, Entwurf logische Architektur und Komponentenspezifikation theoretisch beschrieben und durch die dabei entstehenden Produktmodelle spezifiziert. Die physikalische Entwicklung resultiert in der Erstellung von Produktentwicklungsdaten (u.a. 3D-/CAD-Modelle, Verhaltensmodelle). Im Rahmen der Systemintegration werden die entwickelten Komponenten simuliert und getestet, in das System integriert und unter ständiger Verifikation und Validierung einer Prüfung unterzogen.

Die vielen Disziplinen wie Mechanik, Elektrik/Elektronik und Software in neuen Produkten verlangen von den Unternehmen, dass sie Systems Engineering vollständig beherrschen. Nur so wird eine konkurrenzfähige Entwicklung mechatronischer Produkte realisierbar.

Model Based Systems Engineering verbessert Produktentwicklung

Der Übergang von der heute noch überwiegend dokumentenzentrierten Systementwicklung mittels Lastenheft hin zu einem datenbankgestützten Requirements-Engineering-Werkzeug lässt sich durch das Model Based Systems Engineering (MBSE) erheblich verbessern. Es beschreibt alle Anforderungen und Spezifikationen für das spätere Produkt und koordiniert dessen gesamten Lebenszyklus.

Modellbasiert bedeutet auch, dass es nur noch eine digitale Repräsentanz des Projektes gibt, an der alle Beteiligten z.B. in einem global verteilten Entwicklungsprozess arbeiten. Dadurch entsteht automatisch die notwendige Kollaboration und Vernetzung zwischen den interdisziplinären Teams. Jede Änderung ist auf der Arbeitsplattform sofort für alle sichtbar. Es steht immer nur eine aktuelle Version zur Verfügung. So lassen sich Fehler vermeiden sowie Zeit und Kosten sparen. MBSE bildet das jeweilige System einschließlich seiner Sub-Systeme komplett ab. Die Entwickler leiten aus den Kundenanforderungen die notwendigen Prozesse und Werkzeuge ab und beschreiben diese mithilfe verschiedener Modelle. Um das Systemmodell zu erstellen, gibt es unterschiedliche Sprachen wie zum Beispiel SysML, Methoden und IT-Werkzeuge, die sich auch miteinander kombinieren lassen. Allerdings fehlen hier noch vereinheitlichte Methoden und Standardschnittstellen.

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PLM- oder MBSE-Konzepte miteinander verbinden

Die große Herausforderung für Unternehmen besteht deshalb darin, ihre PLM- oder MBSE-Konzepte in der Zukunft miteinander zu verbinden. Die Einführung eines integrierten Systems wie der 3D-Experience Plattform von Dassault Systèmes, in der alle Autorensysteme in einer zentralen Datenbank miteinander verknüpft werden, gilt als nachhaltige Lösung.

Um komplexe Produkte multidisziplinär zu entwickeln, kommt es darauf an, die Vielzahl der Kundenanforderungen, Systemfunktionen und Wirkprinzipien in einem gemeinsamen Produktmodell zu beschreiben. Die Lösung dafür ist der Methodenbaukasten „Modeling Methodology for Systems“ (MMS). Damit lassen sich die vielfältigen Systemaspekte unterschiedlicher Modellausprägungen (statisch, dynamisch, etc.) und Modellebenen darstellen. Sie erfassen die Analyse des Systems von außen (Mission, Service) sowie das detaillierte Systemdesign (Funktionen, Komponenten). Da die Entwickler die Verhaltensweisen simulieren können, lassen sich die gewählten Modelle und ihre Leistungsfähigkeit bereits frühzeitig validieren.

Als Backbone steht dem MMS die RFLP-Datenstruktur zur Verfügung. RFLP steht für:

• Requirement – Anforderungsmodell

• Functional – Funktionsmodell

• Logical – Logisches Modell bzw. Funktionsträgermodell

• Physical – Physikalische Modell entspricht „3D-Modell“

Die RFLP-Datenstruktur wurde erstmals in der konventionell verfügbaren PLM-Umgebung Catia V6 von Dassault Systèmes implementiert. Sie ist ebenso in der aktuellen 3D-Experience Plattform integriert und bildet den zentralen Backbone innerhalb der Produktentwicklung auf Basis von Systems Engineering.

Der Hauptvorteil des modellbasierten Systems Engineering in der 3D-Experience Plattform besteht in der Integration aller relevanten Modelle in ein übergeordnetes Systemmodell. Änderungen an einem Teilsystem oder einer Komponente wirken sich immer auf die umliegenden Bereiche und Bauteile aus und sind sofort sichtbar. Systemanalysen und -validierungen können nun ganzheitlich durchgeführt werden. Bisherigen IT-Systeme dagegen konnten die Methoden des Systems Engineering nicht umsetzen, da ein integriertes Datenmodell über die Produktentwicklungsphasen und Disziplinen fehlte.

Prozesse transparent machen, Komplexität reduzieren

Ein wichtiger Bestandteile des Systems Engineering ist die Rückverfolgbarkeit (Traceability) des kompletten Produktentstehungsprozesses. Denn für Hersteller ist es von höchster rechtlicher Relevanz, wenn sie im Falle von Störungen oder Schäden im Rahmen der Produkthaftung nachweisen können, dass sie den jeweiligen Stand der Technik erfüllt haben. Die Nachvollziehbarkeit der einzelnen Entwicklungsschritte wird in einem Traceability-Report sichergestellt. Dassault Systèmes bietet zudem mit der Systems Traceability Designer Rolle in der 3D-Experience Plattform sowie mit dem föderativen Standalone Werkzeug Reqtify weitere intuitive Lösungen, um Anforderungen, Nachverfolgbarkeit und Auswirkungsanalysen zu verwalten.

Mit Hilfe solcher Werkzeuge und einer gemeinsamen Plattform wird Systems Engineering einer Reihe von Herausforderungen gerecht, vor denen die Produktentwicklung heute steht, darunter die hohe Komplexität bei gleichzeitig verkürzten Entwicklungszeiten und steigender Wettbewerbsintensität. Die modellbasierte Systementwicklung verlangt jedoch auch ein anderes Denken in den Unternehmen. Die einzelnen Mitarbeiter der verschiedenen Fachbereiche müssen frühzeitig integriert werden – mit dem Ziel, eine gemeinsame Herangehensweise zu entwickeln, verbunden mit einheitlicher Systembeschreibung und Systemdenke. (jup)

Model-Based-Development

Altair bietet kostenfreie Basisversionen der Model-Based Development Suite

Simulation

Paradigmenwechsel in der Produktentwicklung

* *Managing Director Euro Central bei Dassault Systèmes

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