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ingeniería de sistemas basada en modelos
Fecha de publicación: 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, hasta el desmantelamiento.
A diferencia de los métodos de ingeniería tradicionales que se basan en documentos basados en texto y procesos manuales, MBSE utiliza modelado digital y simulación para diseñar sistemas. Estos modelos proporcionan una manera 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 agregar claridad, reducir el riesgo de error y mejorar la comunicación y la toma de decisiones entre los equipos de ingeniería y otros interesados. Esto permite 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 tradicionales de ingeniería 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 inconsistencias, que son comunes en sistemas centrados en documentos, permitiendo una mayor trazabilidad. Los modelos proporcionan una única fuente de verdad, asegurando que todas las partes interesadas trabajen con la misma información y puedan identificar rápidamente los problemas a nivel de 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 a través de simulaciones e iteraciones rápidas, y puede facilitar la automatización.
MBSE es útil al trabajar con un "sistema de sistemas" o cualquier proyecto que agrupe los recursos de varios sistemas para crear uno más complejo, porque permite una representación clara y abierta de relaciones complejas y dependencias 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 durante todo el ciclo de vida del producto.
Hay tres componentes principales de MBSE: primero es el modelo de arquitectura de sistemas (SAM), que sirve como fuente única de verdad para el proyecto. Segundo es el software de simulación de ingeniería que determina si lo que está en SAM coincide con los requisitos y si funcionará según lo planificado. Por último, un centro de cómputo centralizado, que puede estar basado en la nube o físico, realiza todas las funciones y almacena los resultados. En conjunto, estas partes componen el hilo digital, que garantiza que cuando se realizan actualizaciones a un modelo, se actualicen posteriormente en todos los demás modelos del sistema.
El proceso de ingeniería de sistemas basada 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. Esas necesidades se traducen en requisitos específicos y medibles del sistema. Las herramientas MBSE y el modelado de datos permiten la creación de un modelo detallado que captura estos requisitos, de modo que sean consistentes y alineados con los objetivos generales. A través del diseño de arquitectura del sistema, se desarrolla la estructura general del sistema.
Una vez establecida la arquitectura, comienza el diseño más detallado de los componentes individuales. 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 crear prototipos físicos.
A partir de aquí, el sistema se construye y ensambla, utilizando el modelo como referencia para garantizar la coherencia. Los procesos de verificación, prueba y validación siguen para asegurarse de que el sistema funcione según lo previsto. Una vez implementados, los modelos MBSE se pueden utilizar para respaldar las actividades de mantenimiento y cualquier actualización futura, asegurando que el sistema siga satisfaciendo las necesidades cambiantes durante su ciclo de vida.
Los enfoques MBSE se utilizan en muchas industrias, especialmente en desarrollo de software e ingeniería de software. Algunos ejemplos clave incluyen:
La NASA es un ejemplo destacado de una organización que emplea MBSE. Para proyectos complejos como naves espaciales y sistemas de satélites, la NASA utiliza MBSE para manejar las intrincadas interacciones entre diferentes sistemas y simular varios escenarios de misiones espaciales, reduciendo significativamente los riesgos asociados con la exploración espacial.
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 a garantizar comunicaciones confiables y de alta velocidad.
Como enfoque de ingeniería de sistemas, MBSE confía en una variedad de herramientas e idiomas, que van desde aplicaciones de diagramación simples, hojas de cálculo, herramientas de modelado y plataformas de flujo de trabajo hasta software sofisticado. Algunos ejemplos incluyen:
- SysML (Lenguaje de modelado de sistemas): SysML es un lenguaje de modelado gráfico que amplía UML (Lenguaje de modelado unificado) y está diseñado para 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 copia dinámica para probar y ver cómo se comporta un sistema en diferentes condiciones; esto ayuda a identificar posibles problemas y optimizar el rendimiento.
- Herramientas de gestión de requisitos: llevar un registro de los requisitos del sistema es primordial en proyectos complejos, por lo que se utilizan herramientas para garantizar que todos se capturan, rastreen y sean compatibles con el diseño del sistema.
MBSE es particularmente beneficioso para proyectos grandes y complejos debido a su capacidad para administrar la complejidad y facilitar la comunicación entre grandes equipos. Pero también se puede adaptar a proyectos más pequeños, lo que resulta en una mejor comunicación y una reducción de errores. MBSE también se puede implementar de forma incremental, de modo que sea fácil rastrear y organizar proyectos a medida que se expanden. Puede ser valioso en la ingeniería digital y otras disciplinas de ingeniería.
Al permitir una asignación de recursos más eficiente, reducir el desperdicio y facilitar el diseño de sistemas más eficientes energéticamente, MBSE puede ayudar a contribuir a los objetivos de desarrollo sustentable. Su énfasis en el pensamiento sistémico integral e integrado ayuda a desarrollar soluciones que no sólo sean técnicamente sólidas sino también ambientalmente responsables.
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 renovable y materiales sustentables en los diseños de sistemas, promoviendo soluciones ecológicas. Y optimizando las eficiencias operativas y de diseño, MBSE ayuda a limitar la huella ambiental de nuevos proyectos garantizando que consuman menos energía y recursos, lo que contribuye a una reducción de las emisiones de carbono y otros impactos ambientales.
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