Model-Based Systems Engineering

Komplexe Probleme mit Modellen lösen

| Autor / Redakteur: Monika Zwettler / Monika Zwettler

Die Entwicklungen im Bereich des autonomen Fahrens sind ein Paradebeispiel für die Komplexität heutiger und künftiger Produkte.
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Die Entwicklungen im Bereich des autonomen Fahrens sind ein Paradebeispiel für die Komplexität heutiger und künftiger Produkte. (Bild: ©fotohansel/Fotolia.com)

Interdisziplinäre Ingenieurarbeit ist die Basis der Produkte von morgen. Ein vielversprechender, jedoch mit Anstrengung verbundener Ansatz für die Entwicklung intelligenter Systeme ist Model-Based Systems Engineering.

Der komplizierteste Teil der Produktentwicklung ist heute die Koordination der verschiedenen mechanischen und elektronischen Komponenten mit ihrer Software. Intelligente Funktionen, Vernetzbarkeit, Funktionsintegration und Benutzungsfreundlichkeit sind die Eigenschaften, die die Produkte von morgen ausmachen. Obwohl in der Produktentwicklung schon heute nicht mehr nur die Konstruktionskomponenten zu berücksichtigen sind, wird künftig die Betrachtung des gesamten Umfelds immer wichtiger. Unterstützung bei der Entwicklung solch komplexer Produkte kann das Model-Based Systems Engineering (MBSE) bieten: Damit wird ein einheitliches und für alle Beteiligten leicht verständliches Bild über Produkt und Projekt erzeugt.

Vorteile der Entwicklungsmethode

Die grafische Darstellung unterstützt dabei, Komplexität in der Entwicklung zu erkennen und Probleme zu verstehen. Da Konstruktionsänderungen eher die Regel denn die Ausnahme sind, kann MBSE auch an diesem Punkt helfen – Änderungen und ihre Auswirkungen auf das Produkt können leichter erkannt und bewertet werden. Zudem sorgt die Entwicklungsmethode dafür, dass beispielsweise Arbeitsprozesse, Pflichtenhefte und Produktdokumentationen zum Nebenprodukt werden, weil sie aus dem Modell erzeugt werden. Auch können sie stark vereinfacht werden. Nicht zuletzt ist die Beherrschung des Risikos ein Treiber hinter MBSE.

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Vom Komponenten- zum Systemdenken

Bis zu 20 % weniger Zeitaufwand im Projekt

Dr. Christian Tschirner, Abteilungsleiter Digital Engineering and Collaboration am Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM, erläutert: „Systems Engineering führt dazu, dass alle Beteiligten das Produkt und ihre Aufgaben auch wirklich im jeweils notwendigen Detail verstehen und dabei insbesondere die Wechselwirkungen ihrer Tätigkeiten mit anderen Personen und Prozessen nachvollziehen können.“

Durch die Digitalisierung und MBSE können dann zusätzlich viele Tätigkeiten zeitlich nach vorne verlagert werden. Das Stichwort hier lautet Frontloading: Für Produkte und Systeme, bei denen bislang kostenintensive physische Prototypen nötig waren, können auf diese Weise ganzheitliche Systemsimulationen sehr bald durchgeführt werden. „Ich bin davon überzeugt, dass nach einer intensiven Lernkurve in Projekten dauerhaft bis zu 20 % Zeit und bis in die Betriebsphase noch weitaus mehr Geld eingespart werden kann - z.B. durch weniger Serviceaufwand und höhere Kundenzufriedenheit“, so Dr. Tschirner.

Erfolgreicher Einsatz von MBSE

Beispiele, bei denen die Methoden bereits erfolgreich eingesetzt werden, sind neben der Systemsimulation die Funktionale Sicherheit von Maschinen, die virtuelle Inbetriebnahme sowie Entwicklungen im Bereich des autonomen Fahrens. Doch trotz der zu erwartenden Vorteile haben sich MBSE und auch das zugrunde liegende Systems Engineering noch nicht in der Breite durchgesetzt. MBSE verursacht einen große Veränderung: Noch nie hatte ein neuer Ansatz in der Entwicklung eine solch große Reichweite. Bei den Entwicklungen zur Lean Production waren im Vergleich „nur“ die Produktion und das Qualitätswesen involviert. Bei MBSE kommen viele unterschiedliche – auch nicht-technische Stakeholder – dazu, die häufig ihre eigene fachliche Perspektive auf das Thema entwickeln. Gleichzeitig ist hier von einem Lebenszyklusansatz die Rede, sodass die Früchte nicht im ersten Projekt geerntet werden.

Verschiedene Tools für verschiedene Anforderungen

Die PLM-Systeme der großen Unternehmen verfügen schon längst über MBSE-Funktionalität. Als Beispiele seien hier Teamcenter von Siemens PLM Software, die 3D-Experience-Plattform von Dassault Systèmes oder Integrity von PTC genannt. Diese Systeme bieten einen umfassenden Satz an Funktionen für modellbasiertes Systems Engineering.

Doch auch für den Einsatz in KMU gibt es zahlreiche Tools, die pragmatisch und skalierbar einen einfachen Einstieg ermöglichen. Dazu zählen zum Beispiel die Lösungen von Lieber-Lieber, Willert Software oder das japanische Produkt I-Quavis. Wichtig für die Auswahl eines passendes MBSE-Tools ist, dass die Anforderungen an das Tool von Beginn an klar definiert werden müssen. Es gibt sehr viele unterschiedliche Tools für große und kleine Unternehmen. Je komplexer die zu entwickelnden Systeme sind, desto komplexer muss natürlich auch das Tool dahinter sein. Weitere Informationen erhalten Sie beim Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM und bei der Fachgruppe Systems Engineering des Spitzenclusters it’s OWL.

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