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Model-Based Systems Engineering MBSE – Kerninstrument der künftigen Produktentwicklung

Ein Gastbeitrag von Thorsten Gerke 7 min Lesedauer

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Dassault Systèmes Deutschland GmbH
ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH
invenio AG

Entwicklungsprozesse werden immer komplexer. Um diese durchgängig digital abbilden zu können, setzen Unternehmen zunehmend auf Model-Based Systems Engineering. Welche Vorteile bietet es und was ist bei der Implementierung zu beachten?

Das Hauptziel von MBSE besteht darin, die Kommunikation und Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Disziplinen und Stakeholdern zu verbessern, indem es Modelle als zentrales Werkzeug einsetzt. Was es zu beachten gibt. (Bild: Dassault Systèmes - gorodenkoff)
Das Hauptziel von MBSE besteht darin, die Kommunikation und Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Disziplinen und Stakeholdern zu verbessern, indem es Modelle als zentrales Werkzeug einsetzt. Was es zu beachten gibt.
(Bild: Dassault Systèmes - gorodenkoff)

Die Herausforderungen, denen sich Unternehmen bei der Produktentwicklung gegenübersehen, haben in den vergangenen Jahren deutlich zugenommen. Das hat verschiedene Gründe:

  • Zum einen ist die Komplexität von Produkten durch den starken Einzug von Elektronik und Softwareinhalten massiv gestiegen. Die zunehmende Vernetzung führt zu vielen versteckten Abhängigkeiten und erschwert die Nachverfolgbarkeit bei Produktdaten und Prozessen.
  • Gleichzeitig wird die Welt immer volatiler. Digitaler Wandel ist längst keine temporäre Erscheinung mehr, sondern die Norm, und beschleunigt sich zudem immer mehr.

Das alles verlangt von Unternehmen größtmögliche Agilität. Schnelle Veränderungen in Reaktion auf Trends, Entwicklungen und Krisen sind essenziell, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Laut einer aktuellen IDC-Studie zur Digitalisierung betonen 78 Prozent der Entscheider, dass ihr Unternehmenserfolg sehr stark von der Agilität ihrer Geschäftsprozesse abhängt. Ein Ansatzpunkt, um diesen Herausforderungen zu begegnen, ist eine verbesserte Zusammenarbeit im Entwicklungsprozess. Genau hier kann Model-Based Systems Engineering (MBSE) Unternehmen helfen.

Apollo 11: Software rettet die Mondlandung

Am 21. Juli betrat Neil Armstrong als erster Mensch den Mond. Im Umfeld der Apollo-11-Mission wurde – aufgrund der hohen Anforderungen an Raumfahrtprojekte – die Grundlage für das heutige modellbasierte Systems Engineering geschaffen. Denn als im Juli 1969 die erste bemannte Mondlandung unserer Geschichte gelingt, passieren im Hintergrund dramatische Ereignisse: Beim Landeanflug der Mondlandefähre meldet der Bordcomputer wiederholt Fehler im Navigationssystem (Apollo Guidance Computer, AGC). Die Überlastung des AGC durch eine parallele Datenverarbeitung zweier Radarsysteme führt fast zum Abbruch. Aber nur fast, denn durch eine kluge Entwicklung, die ihrer Zeit voraus ist, ist das AGC mit einer Reihe von Sicherungssystemen ausgestattet, die den Abbruch verhindern. Der AGC war der erste Rechner mit einem Echtzeit-Betriebssystem in einer sicherheitskritischen Anwendung und markierte zugleich den Einstieg in die Fly-By-Wire-Technologie. Das Betriebssystem hatte zudem eine Prioritätenliste für einzelne Programme. Um Totalabstürze zu vermeiden, besaß es die Fähigkeit, Fehler zu erkennen, sich automatisch neuzustarten und die entsprechenden Tasks weiterzuverarbeiten.

Programme konnten damals nur unzureichend per Softwaresimulation überprüft werden. Deshalb entwickelte die Software-Ingenieurin Margaret Hamilton das Paradigma „Development Before The Fact“ aus dem die Universal Systems Language hervorging. Die Sprache basiert auf der Systemtheorie und eignet sich zur formalen und pragmatischen Modellierung softwareintensiver Systeme. Der Erfolg der Apollo-Mission ist somit auch der Erfolg innovativer Ingenieurinnen und Ingenieuren und legte den Grundstein für unser heutiges Systems Engineering für intelligente Technische Systeme.

Worauf MBSE abzielt

Systems Engineering verfolgt einen holistischen Ansatz mit dem Ziel, die Produktentwicklung effizienter zu gestalten und die Komplexität überschaubar zu machen. Dahinter steckt die Idee, alle beteiligten Domänen zu übergreifenden Prozessen zu verknüpfen – vom Anforderungsmanagement über die Software- und Hardwareentwicklung bis hin zu Simulation und Test. So kann der gesamte Entwicklungsprozess stets von allen Blickwinkeln betrachtet und die Komplexität besser überblickt werden. Model-Based Systems Engineering setzt dabei auf Modelle, um Informationen nachverfolgbar darzustellen und ermöglicht digitale Durchgängigkeit entlang des gesamten Produktentwicklungszyklus – ein Faktor, bei dem viele Unternehmen aktuell noch Nachholbedarf haben und den sie auf ihre Agenda zur digitalen Transformation gesetzt haben.

Die Vorteile von MBSE: Komplexität im Griff, höhere Qualität, niedrigere Kosten

Mit MBSE lässt sich die übergreifende Kollaboration zwischen den unterschiedlichen Stakeholdern deutlich vereinfachen. Das gilt intern über die verschiedenen Domänen hinweg wie für die externe Zusammenarbeit mit Partnern, Zulieferern und Kunden. So können etwa bei Änderungen Abhängigkeiten leicht identifiziert und Lösungsansätze analysiert werden. Besonders zum Tragen kommen die Vorteile, wenn die Informationen als durchgängiges Datenmodell webbasiert (cloud oder on-premise) über den gesamten Produktlebenszyklus zur Verfügung stehen, wie es die 3D-Experience-Plattform von Dassault Systèmes ermöglicht. Wenn alle Beteiligten zu jedem Zeitpunkt auf dieselben Informationen als Single Source of Truth zugreifen können, erleichtert dies die Zusammenarbeit und macht sie deutlich effizienter. Unnötige Iterationen fallen weg, es bleibt mehr Zeit für Verbesserungen und Innovationen.

MBSE reduziert Aufwand für Simulation

Nicht unerheblich ist zudem der Kostenfaktor beim Testen: Durch die Verknüpfung der Daten ermöglicht MBSE Simulationen über verschiedene Domänen hinweg bis zu einer kompletten Systemsimulation. Physische Prototypen sind meist sehr kostspielig, unflexibel und nicht immer zu jedem Zeitpunkt der Entwicklung verfügbar. Stattdessen fungieren hier digitale Zwillinge in Form von Modellen als virtuelle Prototypen zur Bewertung des Systems mittels simulationsbasierter Analysen. Systems Engineering kann Produktentstehungsprozesse somit auch kostenseitig optimieren – und verhilft Unternehmen letztlich zu mehr Wettbewerbsfähigkeit.

Was für eine erfolgreiche Einführung von MBSE nötig ist

MBSE ist längst kein industriespezifischer Trend mehr. Vorreiter, die bereits seit vielen Jahren einen entsprechenden Ansatz verfolgen, waren beispielsweise die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt sowie das Militärwesen. Anfänglich ging es sehr häufig um komplexe sicherheitsrelevante Applikationen. Heute ist das Einsatzgebiet von Systems Engineering deutlich breiter bis hin zu Produktionsanlagen, Gebäudetechnik, Medizintechnik oder sogar Haushaltsgeräten.

Dennoch hat jedes Unternehmen unterschiedliche Bedarfe. Es sind daher einige Vorüberlegungen nötig, um zu entscheiden, in welchem Umfang eine Implementierung von MBSE zielführend ist. Schließlich handelt es sich um ein umfangreiches digitales Transformationsvorhaben, das genau auf die jeweiligen Anforderungen zugeschnitten sein sollte.

  • Welche Aspekte des Entwicklungsprozesses und welche Rollen sind in erster Linie betroffen?
  • Wie weit ist die Digitalisierung im eigenen Unternehmen bereits fortgeschritten?
  • Wie weit bei Zulieferern und in der gesamten Wertschöpfungskette?

Sind diese Fragen hinreichend beantwortet, dann braucht es vor allem Investment und Unterstützung von Seiten des Managements. MBSE ist die kulturelle Transformation eines Unternehmens, den Systemgedanken und die übergreifende Kollaboration im gesamten Produktentstehungsprozess und eventuell darüber hinaus zu etablieren. Dieser kulturelle Wandel erfordert es, die Mitarbeiter und externen Partner eines Unternehmens Schritt für Schritt in die Transformation zu integrieren und ihnen immer wieder die Mehrwerte aufzuzeigen. Nur wenn die Begeisterung für das Transformationsvorhaben aufrechterhalten wird, kann der Change gelingen.

Digitale Zwillinge auf dem Konstruktionsleiter-Forum 2023

Zum Konstruktionsleiter-Forum am 19. Oktober 2023 treffen sich Konstruktions- und Entwicklungsleiter aus ganz Deutschland in Würzburg um Trends, Technologien und Strategien für die Produktentwicklung von morgen zu diskutieren.

Die Agenda des Forums ist gefüllt mit Vorträgen herausragender Experten, die ihr Wissen und ihre Erfahrungen sowohl auf der Bühne als auch auf begleitenden Workshops für den deep dive teilen. Zu den Themen, die auf der Hauptbühne diskutiert werden, gehört auch der digitale Zwilling:

  • Smarte digitale Zwillinge für Präzisionsgetriebe: Dr. Ingo Schulz von der SKF GmbH wird aufzeigen, wie der Einsatz von digitalen Zwillingen die Entwicklung von Hoch-Präzisionsgetrieben revolutioniert.
  • Der Nutzen digitaler Zwillinge: Ein Team der EM Engineering Methods AG und der Technischen Universität München stellt das „Digital Twin Value Framework“ vor, das Unternehmen dabei unterstützt, den Nutzen digitaler Zwillinge klar zu definieren und zu quantifizieren.

Weitere Informationen zum Programm der Veranstaltung, zu der die Anmeldung noch möglich ist, finden Sie hier.

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Normen und Standards vereinfachen den Datenaustausch

Da MBSE immer flächendeckender und über alle Industrien hinweg Anwendung findet, hilft ein einheitliches Regelwerk. Normen und Standards stellen sicher, dass auch die Kontinuität und Kollaboration zwischen unterschiedlichen Tools von verschiedenen Anbietern funktioniert. Eines der derzeit beliebtesten Hilfsmittel ist die Systems Modeling Language (SysML), die durch die Catia-Magic-Produkte von Dassault unterstützt wird. Die Modellierungssprache für die Spezifikation von Systemarchitekturen wird industrieübergreifend eingesetzt. Das bringt weitere Vorteile mit sich: Standards vereinfachen nicht nur den Datenaustausch im und zwischen Unternehmen, sondern sie erleichtern auch das Recruiting. Nutzen viele Fachkräfte den gleichen etablierten Standard, sind potenzielle neue Mitarbeitende leichter zu finden.

Wie MBSE Nachhaltigkeit schafft

Die Bedeutung von Systems Engineering wird in Zukunft noch weiter zunehmen. Das liegt nicht zuletzt daran, dass es Megatrends wie das Thema Nachhaltigkeit positiv beeinflussen kann. MBSE hilft dabei, Produkte, aber auch den Entwicklungsprozess selbst, nachhaltiger zu gestalten. Ein Beispiel zeigte Dassault Systèmes gemeinsam mit mehreren Partnern auf der SPS Smart Production Solutions 2022. Der Showcase bildete die komplette, durchgängig digitale Wertschöpfungskette einer Produktionsanlage für umweltfreundliche Wasserstoff-Brennstoffzellen ab. Ziel war es, den elektrischen Stromverbrauch der Anlage für den Stacking Prozess zu minimieren. Mithilfe von Systems Engineering konnten die Optimierungspotenziale identifiziert und in einem nachgelagerten Schritt die Optimierung durchgeführt werden. Dies führte zu einer Reduzierung von vier Prozent beim elektrischen Stromverbrauch.

Trends und Anwendungsszenarien

Bei vielen Produkten dominieren heute Elektronik sowie Software die Entwicklung und das Kundenerlebnis. Bestes Beispiel sind Autos, die zunehmend zu „Software-Defined Vehicles“ werden. Die Softwareentwicklung mit ihren spezifischen Anforderungen und agilen (Projektmanagement-)Methoden muss daher künftig noch stärker in ein übergreifendes Systems Engineering einbezogen werden.

Ein weiterer Trend betrifft die Vernetzung von Systemen beziehungsweise ihre Verknüpfung zu komplexeren Systemen. Solch ein System-of-Systems-Ansatz kommt beispielsweise in Smart Cities zum Einsatz. So könnte das System eines autonomen Fahrzeugs mit einem intelligenten Parkleitsystem verknüpft werden. Auch hier bestehen bereits Lösungsansätze, beispielsweise mit UAF (Unified Architecture Framework), um entsprechende Organisationen, Strukturen, Anforderungen und deren Abhängigkeiten miteinander modellieren und spezifizieren zu können.

Die Szenarien zeigen: Model-Based Systems Engineering kann Antworten auf viele aktuelle und künftige Herausforderungen liefern. Während es in einigen Industrien bereits heute unersetzlich ist, wird es in naher Zukunft auch industrieübergreifend nicht mehr ohne gehen. MBSE wird so zum Kernelement der Produktentwicklung – und zum integralen Bestandteil der Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen.

Dassault Systèmes auf der SPS Smart Production Solutions 2023: Halle 6, Stand 108 und 110

Konstruktionsleiter Forum

Produktentwicklung neu denken

Der Schlüssel für den Erfolg eines Unternehmens liegt in Konstruktion und Entwicklung. Hier entstehen innovative Produkte, die die Wettbewerbsfähigkeit sichern. Doch kennen Sie die Herausforderungen der Produktentwicklung im 21. Jahrhundert?

Das Konstruktionsleiter Forum will Konstruktions- und Entwicklungsleiter für Hürden sensibilisieren, sowie Tools und Methoden aufzeigen, um innovative Ideen strukturiert zu entwickeln und den Produktentstehungsprozess so schlank und effizient wie möglich zu gestalten.

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* Thorsten Gerke, Cyber Systems Industry Process Senior Consultant, Dassault Systèmes

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