Pubblicato: 2 dicembre 2023
Collaboratori: Amanda McGrath, Alexandra Jonker
L'ingegneria dei sistemi basata su modelli (MBSE) è una metodologia che utilizza i modelli per supportare l'intero ciclo di vita di un sistema, dalla concezione e progettazione alle attività di verifica e convalida, fino al ritiro.
A differenza dei metodi di progettazione tradizionali che si basano su documenti testuali e processi manuali, l'MBSE utilizza la modellazione digitale e la simulazione per progettare i sistemi. Questi modelli offrono un modo visivo e interattivo per rappresentare i componenti del sistema e i collegamenti tra di loro: un approccio è particolarmente utile per sistemi e interfacce complessi.
I modelli digitali sono inoltre più facili da aggiornare, rendendo l'MBSE più efficiente rispetto ai metodi tradizionali, e oltre a ciò possono aggiungere chiarezza, ridurre il rischio di errore e migliorare la comunicazione e il processo decisionale tra i team di ingegneri e gli altri stakeholder. Questo sistema consente la coerenza delle informazioni in tutte le fasi del ciclo di vita del progetto.
Il processo di ingegneria dei sistemi basato su modelli presenta diversi benefici rispetto agli approcci ingegneristici tradizionali nella progettazione di sistemi e sottosistemi complessi:
La natura visiva e interattiva dei modelli aiuta i diversi stakeholder a comprendere meglio il processo di sviluppo e a dare il proprio contributo.
L'MBSE riduce il rischio di errori e incoerenze, un tratto comune nei sistemi incentrati sui documenti, in favore di una maggiore tracciabilità. I modelli forniscono una singola fonte affidabile, garantendo che tutti gli stakeholder lavorino con le stesse informazioni e possano identificare rapidamente i problemi a livello di sistema.
Grazie al rilevamento precoce e alla correzione dei problemi, l'MBSE può ridurre i tempi e i costi di sviluppo in modo significativo. Consente un'analisi rapida tramite le simulazioni, una veloce iterazione e può facilitare l'automazione.
L'MBSE è utile quando si lavora con un "sistema di sistemi" o un qualsiasi progetto che raggruppa le risorse di diversi sistemi per crearne uno più complesso, perché consente una rappresentazione chiara e aperta delle relazioni complesse e delle dipendenze all'interno di un sistema.
L'MBSE può essere adattato a progetti di varie dimensioni e complessità, e questa caratteristica lo rende un approccio versatile, adatto a un'ampia gamma di applicazioni. Può anche contribuire a supportare lo sviluppo del prodotto durante il suo intero ciclo di vita.
Esistono tre componenti principali dell'MBSE: il primo è il modello di architettura dei sistemi (SAM), che funge da singola fonte affidabile per il progetto. Il secondo è il software di simulazione ingegneristica che determina se il contenuto del SAM corrisponde ai requisiti e se funzionerà come previsto. Infine, un centro di calcolo centralizzato, basato sul cloud o fisico, svolge tutte le funzioni e memorizza i risultati. Insieme, queste parti costituiscono il thread digitale, in grado di garantire che l'aggiornamento conseguente alle modifiche apportate a un modello venga applicato a tutti gli altri modelli del sistema.
Il processo dell'ingegneria dei sistemi basato su modelli è composto da una serie di fasi interconnesse che guidano lo sviluppo del sistema dal concetto al completamento.
Anzitutto, gli stakeholder definiscono gli obiettivi del sistema e il contesto in cui funzionerà. Tali esigenze vengono poi tradotte in requisiti di sistema specifici e misurabili. Gli strumenti MBSE e il data modeling consentono la creazione di un modello dettagliato che soddisfi questi requisiti, in modo da garantirne la coerenza e l'allineamento con gli obiettivi nel complesso. Attraverso la progettazione dell'architettura del sistema, ne viene sviluppata la struttura complessiva.
Una volta realizzata l'architettura, inizia la progettazione più dettagliata dei singoli componenti. L'MBSE facilita la simulazione del comportamento del sistema, consentendo agli ingegneri di testare e perfezionare i progetti in un ambiente virtuale. In questo modo risulta più facile identificare e risolvere i problemi ancor prima della costruzione dei prototipi fisici.
Da qui, il sistema è costruito e assemblato, e utilizza il modello come riferimento per garantire la coerenza. Seguono processi di verifica, test e convalida per garantire che il sistema funzioni come previsto. Una volta implementati, i modelli MBSE possono essere utilizzati per supportare le attività di manutenzione ed eventuali aggiornamenti futuri, garantendo che il sistema continui a soddisfare le mutevoli esigenze nel corso del suo ciclo di vita.
Gli approcci MBSE vengono utilizzati in molti settori, in particolare nello sviluppo software e nell'ingegneria del software. Ecco alcuni esempi significativi:
La NASA è un esempio importante di un'organizzazione che impiega l'MBSE. Per progetti complessi come veicoli spaziali e sistemi satellitari, la NASA utilizza l'MBSE per gestire le intricate interazioni tra diversi sistemi e per simulare vari scenari delle missioni, riducendo in modo significativo i rischi associati all'esplorazione spaziale.
Le principali aziende automobilistiche come Ford e BMW hanno incorporato l'MBSE nella progettazione dei veicoli. Questo approccio aiuta a gestire la crescente complessità delle auto moderne, che integrano elettronica e software avanzati.
Il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti (DoD) utilizza l'MBSE per lo sviluppo dei sistemi di difesa. Il concetto di sistema include tutto, dai sistemi d’arma alle reti di sorveglianza e comunicazione.
Le aziende del settore delle telecomunicazioni utilizzano l'MBSE per progettare e gestire complessi sistemi di rete. Questo impiego comprende lo sviluppo di infrastrutture per tecnologie emergenti come il 5G, in cui l'MBSE aiuta a ottimizzare i layout di rete e a garantire comunicazioni affidabili e ad alta velocità.
Come approccio di ingegneria dei sistemi, l'MBSE si basa su una varietà di strumenti e linguaggi, che vanno da semplici applicazioni di diagrammi, fogli di calcolo, strumenti di modellazione e piattaforme di workflow a software sofisticati. Ecco alcuni esempi:
- SysML (Systems Modeling Language): SysML è un linguaggio di modellazione grafica che estende l'UML (Unified Modeling Language) ed è particolarmente adatto all'ingegneria dei sistemi. Fornisce un modo standardizzato per rappresentare i sistemi con vari diagrammi che aiutano a visualizzare i componenti e i comportamenti del sistema.
- Strumenti software MBSE: gli strumenti software progettati appositamente per l'MBSE offrono ambienti per la creazione, la modifica e la gestione di modelli SysML. Facilitano la collaborazione, il controllo delle versioni e l'integrazione con altri strumenti di progettazione.
- Strumenti di simulazione e analisi: l'MBSE utilizza spesso strumenti di simulazione per test e analisi di sistema. I gemelli digitali, o rappresentazioni virtuali di oggetti o sistemi che coprono il loro ciclo di vita, fungono da copia dinamica per i test per vedere come si comporta un sistema in condizioni diverse; in questo modo è possibile identificare potenziali problemi e ottimizzare le prestazioni.
- Strumenti di gestione dei requisiti: tenere traccia dei requisiti di sistema è fondamentale nei progetti complessi, quindi vengono utilizzati gli strumenti per garantire che siano tutti acquisiti, tracciati e compatibili con la progettazione del sistema stesso.
L'MBSE è particolarmente utile per progetti grandi e complessi grazie alla sua capacità di gestire la complessità e di facilitare la comunicazione tra team di grandi dimensioni. Detto questo, può essere adattato anche a progetti più piccoli, con conseguente miglioramento della comunicazione e riduzione degli errori. L'MBSE può essere implementato anche in modo incrementale, per agevolarne la tracciabilità e organizzare i progetti man mano che si espandono. Può essere prezioso nell’ingegneria digitale e in altre discipline ingegneristiche.
Consentendo un'allocazione più efficiente delle risorse, riducendo gli sprechi e facilitando la progettazione di sistemi più efficienti dal punto di vista energetico, l'MBSE può contribuire a raggiungere gli obiettivi di sviluppo sostenibile. La sua enfasi sul pensiero olistico e integrato dei sistemi aiuta a sviluppare soluzioni non solo tecnicamente solide, ma anche ecologicamente responsabili.
Tramite MBSE, gli ingegneri possono modellare e simulare l'impatto ambientale dei progetti prima ancora che vengano realizzati. In questo modo diventa possibile identificare e mitigare i potenziali rischi ambientali fin dall'inizio del processo di sviluppo. Facilita inoltre l'integrazione di fonti di energia rinnovabile e di materiali sostenibili nella progettazione dei sistemi, promuovendo soluzioni rispettose dell'ambiente. Inoltre, ottimizzando la progettazione e l'efficienza operativa, l'MBSE aiuta a limitare l'impronta ambientale dei nuovi progetti assicurandosi che consumino meno energia e risorse, contribuendo così a una riduzione delle emissioni di carbonio e di altri impatti ambientali.
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