Publicado: 2 de diciembre de 2023
Colaboradores: Amanda McGrath, Alexandra Jonker
La ingeniería de sistemas basada en modelos (MBSE) es una metodología que utiliza modelos para respaldar todo el ciclo de vida de un sistema, desde la concepción y el diseño hasta las actividades de verificación y validación, e incluso el desmantelamiento.
A diferencia de los métodos de ingeniería tradicionales que dependen de documentos basados en texto y procesos manuales, MBSE utiliza el modelado digital y la simulación para diseñar sistemas. Estos modelos proporcionan una forma visual e interactiva de representar los componentes del sistema y las conexiones entre ellos. Este enfoque es especialmente útil para sistemas e interfaces complejos.
Los modelos digitales también son más fáciles de actualizar. Esto no solo hace que MBSE sea más eficiente que los métodos tradicionales, sino que puede añadir claridad, reducir el riesgo de error y mejorar la comunicación y la toma de decisiones entre los equipos de ingeniería y otras partes interesadas. Permitiendo así la coherencia de la información en todas las fases del ciclo de vida del proyecto.
El proceso de ingeniería de sistemas basado en modelos tiene varias ventajas sobre los enfoques de ingeniería tradicionales a la hora de diseñar sistemas y subsistemas complejos:
La naturaleza visual e interactiva de los modelos ayuda a las diversas partes interesadas a comprender mejor y contribuir al proceso de desarrollo.
MBSE reduce el riesgo de errores e incoherencias, que son comunes en los sistemas centrados en documentos, al permitir una mayor trazabilidad. Los modelos proporcionan una única fuente fiable, garantizando que todas las partes interesadas trabajen con la misma información y puedan identificar rápidamente los problemas a nivel del sistema.
Al permitir la detección temprana y la corrección de problemas, MBSE puede reducir significativamente el tiempo y los costos de desarrollo. Permite un análisis rápido mediante simulaciones e iteraciones rápidas, y puede facilitar la automatización.
MBSE es útil cuando se trabaja con un "sistema de sistemas" o con cualquier proyecto que agrupe los recursos de varios sistemas para crear uno más complejo, ya que permite una representación clara y abierta de relaciones y dependencias complejas dentro de un sistema.
MBSE se puede adaptar a proyectos de diversos tamaños y complejidades, lo que lo convierte en un enfoque versátil adecuado para una amplia gama de aplicaciones. También puede ayudar a apoyar el desarrollo de productos a lo largo de todo el ciclo de vida del producto.
Hay tres componentes principales de MBSE: el primero es el modelo de arquitectura de sistemas (SAM), que sirve como una única fuente fiable para el proyecto. El segundo es el software de simulación de ingeniería que determina si lo que está en el SAM coincide con los requisitos y si funcionará según lo previsto. Por último, un centro de computación centralizado, que puede estar basado en la nube o físico, realiza todas las funciones y almacena los resultados. Juntas, estas partes forman el hilo digital, que garantiza que cuando se actualiza un modelo, se actualiza posteriormente en todos los demás modelos del sistema.
El proceso de ingeniería de sistemas basados en modelos es una serie de fases interconectadas que guían el desarrollo del sistema desde el concepto hasta la finalización.
En primer lugar, las partes interesadas definen los objetivos del sistema y el contexto en el que funcionará. A continuación, esas necesidades se traducen en requisitos específicos y cuantificables del sistema. Las herramientas MBSE y el modelado de datos permiten la creación de un modelo detallado que captura estos requisitos, para que sean consistentes y estén alineados con los objetivos generales. Mediante el diseño de la arquitectura del sistema, se desarrolla la estructura general del mismo.
Una vez establecida la arquitectura, comienza el diseño más detallado de los componentes individuales. El MBSE facilita la simulación del comportamiento del sistema, lo que permite a los ingenieros probar y refinar sus diseños en un entorno virtual. Esto ayuda a identificar y resolver problemas antes de que se construyan los prototipos físicos.
A partir de aquí, el sistema se construye y ensambla, utilizando el modelo como referencia para garantizar la coherencia. Sigue los procesos de verificación, prueba y validación para asegurarte de que el sistema funciona según lo previsto. Una vez implementados, los modelos MBSE se pueden utilizar para respaldar las actividades de mantenimiento y cualquier actualización futura, garantizando que el sistema siga satisfaciendo las necesidades cambiantes durante su ciclo de vida.
Los enfoques MBSE se utilizan en muchos sectores, especialmente en el desarrollo de software e ingeniería de software. Algunos ejemplos clave son:
La NASA es un ejemplo destacado de una organización que emplea MBSE. En proyectos complejos como naves espaciales y sistemas de satélites, la NASA utiliza MBSE para gestionar las intrincadas interacciones entre distintos sistemas y simular diversos escenarios de misiones espaciales, lo que reduce significativamente los riesgos asociados a la exploración del espacio.
Las principales empresas automotrices como Ford y BMW han incorporado MBSE en el diseño de sus vehículos. Este enfoque ayuda a gestionar la creciente complejidad de los automóviles modernos, que incluyen electrónica y software avanzados.
El Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD) utiliza MBSE para el desarrollo de sistemas de defensa. Esto incluye todo, desde sistemas de armas hasta redes de vigilancia y comunicación.
Las empresas del sector de las telecomunicaciones utilizan MBSE para diseñar y gestionar sistemas de red complejos. Esto incluye el desarrollo de infraestructura para tecnologías emergentes como 5G, donde MBSE ayuda a optimizar los diseños de red y garantizar comunicaciones confiables y de alta velocidad.
Como enfoque de ingeniería de sistemas, MBSE se basa en una variedad de herramientas y lenguajes, que van desde simples aplicaciones de diagramación, hojas de cálculo, herramientas de modelado y plataformas de flujo de trabajo hasta software sofisticado. A continuación, recogemos algunos ejemplos:
- SysML (Systems Modeling Language): SysML es un lenguaje de modelado gráfico que amplía UML (Unified Modeling Language) y se adapta a la ingeniería de sistemas. Proporciona una forma estandarizada de representar sistemas con varios diagramas que ayudan a visualizar los componentes y comportamientos del sistema.
- Herramientas de software MBSE: las herramientas de software diseñadas específicamente para MBSE ofrecen entornos para crear, editar y administrar modelos SysML. Facilitan la colaboración, el control de versiones y la integración con otras herramientas de ingeniería.
- Herramientas de simulación y análisis: MBSE a menudo utiliza herramientas de simulación para pruebas y análisis de sistemas. Los gemelos digitales, o representaciones virtuales de objetos o sistemas que abarcan su ciclo de vida, sirven como una copia dinámica para probar cómo se comporta un sistema en diferentes condiciones; esto ayuda a identificar posibles problemas y optimizar el rendimiento.
- Herramientas de gestión de requisitos: realizar un seguimiento de los requisitos del sistema es fundamental en proyectos complejos, por lo que se utilizan herramientas para garantizar que se capturan, rastrean y sean compatibles con el diseño del sistema.
El MBSE es especialmente beneficioso para proyectos grandes y complejos por su capacidad para gestionar la complejidad y facilitar la comunicación entre equipos numerosos. Pero también puede adaptarse a proyectos más pequeños, lo que mejora la comunicación y reduce los errores. MBSE también puede implementarse de forma incremental, de modo que resulta fácil seguir y organizar los proyectos a medida que se amplían. Puede ser valioso para la ingeniería digital y otras disciplinas de la ingeniería.
Al permitir una asignación de recursos más eficiente, reducir los residuos y facilitar el diseño de sistemas de mayor eficiencia energética, MBSE puede ayudar a alcanzar objetivos de desarrollo sostenibles. Su énfasis en el pensamiento de sistemas holístico e integrado ayuda a desarrollar soluciones que no solo son técnicamente sólidas sino también respetuosas con el medio ambiente.
A través de MBSE, los ingenieros pueden modelar y simular el impacto ambiental de sus diseños antes de que se construyan. Esto ayuda a identificar y mitigar los posibles riesgos ambientales en las primeras etapas del proceso de desarrollo. También facilita la integración de fuentes de energía renovables y materiales sostenibles en el diseño de los sistemas, promoviendo soluciones respetuosas con el medio ambiente. Y al optimizar el diseño y la eficiencia operativa, el MBSE ayuda a limitar la huella medioambiental de los nuevos proyectos al garantizar que consuman menos energía y recursos, contribuyendo así a reducir las emisiones de carbono y otros impactos ambientales.
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