Veröffentlicht: 2. Dezember 2023
Mitwirkende: Amanda McGrath, Alexandra Jonker
Das modellbasierte System-Engineering (MBSE) ist eine Methode, bei der Modelle zur Unterstützung des gesamten Lebenszyklus eines Systems eingesetzt werden, von der Konzeption und dem Entwurf über Verifizierungs- und Validierungsaktivitäten bis hin zur Außerbetriebnahme.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Engineering-Methoden, die auf textbasierten Dokumenten und manuellen Prozessen beruhen, nutzt MBSE digitale Modellierung und Simulation zum Entwurf von Systemen. Diese Modelle bieten eine visuelle und interaktive Möglichkeit, Systemkomponenten und die Verbindungen zwischen ihnen darzustellen. Dieser Ansatz ist besonders für komplexe Systeme und Schnittstellen nützlich.
Digitale Modelle lassen sich zudem einfacher aktualisieren. Dadurch ist MBSE nicht nur effizienter als herkömmliche Methoden, sondern es kann auch für mehr Klarheit sorgen, das Fehlerrisiko verringern und die Kommunikation und Entscheidungsfindung zwischen den Ingenieurteams und anderen Beteiligten verbessern. So kann die Informationskonsistenz über alle Lebenszyklusphasen des Projekts hinweg gesichert werden.
Der modellbasierte System-Engineering-Prozess hat gegenüber herkömmlichen Engineering-Ansätzen beim Entwurf komplexer Systeme und Subsysteme mehrere Vorteile:
Die visuellen und interaktiven Modelle helfen den verschiedenen Interessengruppen, den Entwicklungsprozess besser zu verstehen und dazu beizutragen.
MBSE verringert durch bessere Rückverfolgbarkeit das Risiko von Fehlern und Inkonsistenzen, die in dokumentenzentrierten Systemen häufig auftreten. Modelle bieten eine Single-Source-of-Truth (SSOT), damit alle Beteiligten mit denselben Informationen arbeiten und Probleme auf Systemebene schnell erkennen können.
Durch die frühzeitige Erkennung und Behebung von Problemen kann MBSE die Entwicklungszeit und -kosten erheblich reduzieren. Es ermöglicht eine rasche Analyse durch Simulationen und schnelle Iterationen und kann die Automatisierung erleichtern.
MBSE ist effektiv bei der Arbeit mit einem „System von Systemen“, also bei Projekten, bei denen die Ressourcen mehrerer Systeme zu einem komplexeren System zusammengeführt werden. Es ermöglicht nämlich die klare, offene Darstellung komplizierter Beziehungen und Abhängigkeiten innerhalb eines Systems.
MBSE kann an Projekte unterschiedlicher Größe und Komplexität angepasst werden, was es zu einem vielseitigen Ansatz für eine Vielzahl von Anwendungsfällen macht. Es kann auch dazu beitragen, die Produktentwicklung über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg zu unterstützen.
Es gibt drei Hauptkomponenten von MBSE: die erste ist das Systemarchitekturmodell (SAM), das als Single-Source-of-Truth für das Projekt dient. An zweiter Stelle steht die technische Simulationssoftware, die feststellt, ob das SAM den Anforderungen entspricht und ob es wie vorgesehen funktioniert. Schließlich führt ein zentrales Berechnungszentrum, entweder cloudbasiert oder vor Ort, alle Funktionen aus und speichert die Ergebnisse. Zusammen bilden diese Teile ein digitales System, mit dem Aktualisierungen an einem Modell anschließend auch für alle anderen Modelle im System angewendet werden.
Der Prozess des modellbasierten System-Engineering besteht aus einer Reihe miteinander verbundener Phasen, die die Systementwicklung vom Konzept bis zur Fertigstellung anleiten.
Zunächst definieren die Beteiligten die Ziele des Systems und den Kontext, in dem es betrieben wird. Diese Anforderungen werden dann in spezifische und messbare Systemanforderungen übersetzt. MBSE-Tools und Datenmodellierung ermöglichen die Erstellung eines detaillierten Modells, das diese Anforderungen erfasst, sodass sie konsistent und auf die Gesamtziele abgestimmt sind. Durch den Entwurf der Systemarchitektur wird die Gesamtstruktur des Systems entwickelt.
Sobald die Architektur festgelegt ist, beginnt die detailliertere Planung der einzelnen Komponenten. MBSE vereinfacht die Simulation des Systemverhaltens, sodass Ingenieure ihre Entwürfe in einer virtuellen Umgebung testen und weiterentwickeln können. Dies hilft bei der Identifizierung und Lösung von Problemen, bevor physische Prototypen erstellt werden.
Von hier aus wird das System entwickelt und miteinander verbunden, wobei das Modell als Referenz verwendet wird, um Konsistenz sicherzustellen. Verifizierungs-, Test- und Validierungsprozesse folgen, um sicherzustellen, dass das System wie vorgesehen funktioniert. Nach der Implementierung können MBSE-Modelle zur Unterstützung von Wartungsaktivitäten und zukünftigen Upgrades verwendet werden, um sicherzustellen, dass das System im Laufe seines Lebenszyklus auch weiterhin den sich ändernden Anforderungen entspricht.
MBSE-Ansätze werden in vielen Branchen eingesetzt, insbesondere in der Softwareentwicklung. Nachfolgend finden Sie einige wichtige Beispiele:
Die NASA ist ein bekanntes Unternehmen, das MBSE einsetzt. Bei komplexen Projekten wie Raumfahrzeugen und Satellitensystemen setzt die NASA MBSE ein, um die komplizierten Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Systemen zu berücksichtigen und verschiedene Szenarien für Weltraummissionen zu simulieren. So können die Risiken im Weltraumflug erheblich verringert werden.
Große Automobilunternehmen wie Ford und BMW haben MBSE in die Entwicklung ihrer Fahrzeuge integriert. Dieser Ansatz hilft dabei, die zunehmende Komplexität moderner Fahrzeuge mit fortschrittlicher Elektronik und Software zu bewältigen.
Das U.S. Department of Defense (DoD) nutzt MBSE für die Entwicklung militärischer Systeme. Dies umfasst alles von Waffensystemen bis hin zu Überwachungs- und Kommunikationsnetzwerken.
Unternehmen im Telekommunikationssektor nutzen MBSE, um komplexe Netzwerksysteme zu entwerfen und zu verwalten. Dazu gehört auch die Entwicklung von Infrastrukturen für neue Technologien wie 5G, wo MBSE bei der Optimierung von Netzlayouts und der Gewährleistung einer zuverlässigen Hochgeschwindigkeitskommunikation hilft.
MBSE ist ein System-Engineering-Ansatz und stützt sich auf eine Vielzahl von Werkzeugen und Sprachen – von einfachen Diagrammanwendungen, Tabellenkalkulationen, Modellierungswerkzeugen und Workflow-Plattformen bis hin zu hochentwickelter Software. Einige Beispiele:
- SysML (Systems Modeling Language): SysML ist eine grafische Modellierungssprache, die die UML (Unified Modeling Language) erweitert und auf System-Engineering ausgelegt ist. Es bietet eine standardisierte Möglichkeit zur Darstellung von Systemen mit verschiedenen Diagrammen, die bei der Visualisierung von Systemkomponenten und -verhalten helfen.
- MBSE-Softwaretools: Softwaretools, die speziell für MBSE entwickelt wurden, bieten Umgebungen zum Erstellen, Bearbeiten und Verwalten von SysML-Modellen. Sie erleichtern die Zusammenarbeit, Versionskontrolle und Integration mit anderen Engineering-Tools.
- Simulations- und Analysewerkzeuge: Im MBSE werden häufig Simulationswerkzeuge für Tests und Systemanalysen verwendet. Digitale Zwillinge, also virtuelle Darstellungen von Objekten oder Systemen, die sich über ihren gesamten Lebenszyklus erstrecken, dienen als dynamische Kopie zum Testen, um zu ermitteln, wie sich ein System unter verschiedenen Bedingungen verhält. Dies hilft, potenzielle Probleme zu identifizieren und die Leistung zu optimieren.
- Tools für das Anforderungsmanagement: Bei komplexen Projekten ist es sehr wichtig, die Systemanforderungen im Auge zu behalten. Daher werden Tools verwendet, um sicherzustellen, dass diese Anforderungen erfasst und verfolgt werden und mit dem Systemdesign kompatibel sind.
MBSE ist vor allem für große, komplexe Projekte von Vorteil, da es die Komplexität bewältigen und die Kommunikation zwischen großen Teams vereinfachen kann. Es kann aber auch an kleinere Projekte angepasst werden, was zu einer verbesserten Kommunikation und zu weniger Fehlern führt. MBSE kann außerdem inkrementell implementiert werden. So können wachsende Projekte einfach verfolgt und organisiert werden. Es kann im gesamten Digital Engineering und anderen Engineering-Disziplinen von Nutzen sein.
Indem MBSE eine effizientere Ressourcenallokation ermöglicht, Verschwendung reduziert und die Entwicklung energieeffizienterer Systeme erleichtert, kann es dazu beitragen, Ziele für nachhaltige Entwicklung zu erreichen. Der Schwerpunkt auf ganzheitlichem und integriertem Systemdenken hilft bei der Entwicklung von Lösungen, die nicht nur technisch solide, sondern auch ökologisch verantwortlich sind.
Mithilfe von MBSE können Ingenieure die Umweltauswirkungen ihrer Entwürfe modellieren und simulieren, bevor diese umgesetzt werden. So können potenzielle Umweltrisiken frühzeitig im Entwicklungsprozess erkannt und gemindert werden. Außerdem lassen sich so erneuerbare Energiequellen und nachhaltige Materialien in Systemdesigns integrieren, was insgesamt zu umweltfreundlichen Lösungen beiträgt. Und durch die Optimierung von Entwurf und Betriebseffizienz trägt MBSE dazu bei, den ökologischen Fußabdruck neuer Projekte zu begrenzen, indem sichergestellt wird, dass sie weniger Energie und Ressourcen verbrauchen. So können CO2-Emissionen und andere Umweltauswirkungen reduziert werden.
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