COMPASS MAGAZINE #10
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EIN MODELL IN DER ENTWICKLUNG Die virtuelle Simulation von vielschichtigen Systemen verspricht die Komplexität zu bändigen

Die Konstruktion komplexer Systeme erfordert die Zusammenführung verschiedener Disziplinen, die oft in Silos und mit einer Vielzahl inkompatibler Tools arbeiten. Das Internet der Dinge (IoT) ist mit Blick auf die Konnektivität noch anspruchsvoller. Das virtuelle Prototyping mit einem auf Modellen basierenden Ansatz für das Systems Engineering (MBSE) mit integrierter, digitaler 3D-Simulation der Zusammenarbeit aller Systeme verspricht Abhilfe.

Die effektive Konstruktion eines komplexen Systems ist eine Mammut- aufgabe. „Die traditionelle Methode fokussiert zunächst auf die Struktur – die Teile und deren Verbindungen – und geht davon aus, dass das erforderliche Verhalten der Teile zueinander durch eine geeignete Anordnung zustande kommt“, so Hillary Sillitto, Chartered Engineer, Mitglied des britischen International Council on Systems Engineering (INCOSE) und Autor aus Schottland.

Bei diesem Ansatz auf Grundlage der Struktur kommen jedoch häufig Konflikte bei Untersystemen vor. „Es gibt so viele mögliche Wechselwirkungen, daher kann dieser Ansatz viele unerwünschte oder inakzeptable Eigenschaften bzw. Verhaltens- weisen nicht ausschließen“ so Sillitto.

Der Aufstieg des Internets der Dinge (IoT) verschärft diese Situation weiter. „Die exponentiell wachsende Konnektivität ist mit einer drastischen Erhöhung der Komplexität, Frequenz und Verbreitung von Interaktionen in Systemen verbunden“, sagt Troy Peterson, Partner und leitender Ingenieur, Booz Allen Hamilton, Beratungs- firma mit Sitz in den USA; Assistant Director, SE Transformation bei INCOSE und früherer leitender Ingenieur bei Ford Motor Company.

Der Haushaltsgeräte-Hersteller Miele ist im Bereich von IoT-Produkten führend und kennt diese Herausforderungen sehr gut. „Die Produkteigenschaften sind immer stärker das Ergebnis einer komplexen Kombination von Hardware und Software“, so Matthias Knoke, Leiter Virtuelle Produkt- entwicklung bei Miele. „Viele ursprünglich mechanische Funktionen wurden von mechatronischen Baugruppen ersetzt, die die Funktionalität erheblich erweitern. Die Zahl der technischen Disziplinen, die gleichzeitig am Prozess beteiligt sind, steigt. Herkömmliche Entwicklungs-und Prüfmethoden sind nicht mehr ausreichend.“

MODELLBASIERTES SYSTEMS ENGINEERING

Organisationen untersuchen verstärkt das Potenzial des auf Modellen basierenden Ansatzes für das Systems Engineering (MBSE) und vertrauen auf virtuelle Simulation, um die systembedingte technische Komplexität zu bändigen. Laut Definition von INCOSE ist MBSE die „formale Anwendung von Modellierung, die die Anforderungen, die Analyse, das Design, die Prüfung und die Validierung von Systemen unterstützt, wobei die Modellierung in der Konzeptphase beginnt und alle Produktentwicklungs- und spätere Lebenszyklusphasen begleitet“. MBSE verspricht, Abhilfe zu schaffen bei vielen Herausforderungen, denen sich die Unternehmen stellen müssen.

„MIT DIGITALER 3D-DARSTELLUNG KONNTEN WIR KOSTEN FÜR DIE REPARATUR VON MASCHINEN, DIE GAR NICHT DEFEKT WAREN, VERMEIDEN UND GLEICHZEITIG DIE BETRIEBSZEITEN UND LEISTUNGEN FÜR DIE KUNDEN VERBESSERN.“

PAUL BORIS LEITER MANUFACTURING INDUSTRIES, GE DIGITAL

Und Miele kann bereits heute die Früchte seines Engagements ernten. „Mit MBSE wird der Produktkomplexität ein systematischer Ansatz aufgezwungen, sodass diese überschaubarer wird“, erklärt Knoke. „Folglich können die Entwicklungszeiten verkürzt und damit die Ausgaben für Forschung und Entwicklung reduziert werden. Darüber hinaus verbessern sich die Zusammenarbeit und die Kommunikation zwischen den verschiedenen technischen Disziplinen.“

Auch GE, führendes globales Industrieunternehmen, sieht die Vorteile von MBSE. „Dieser Ansatz ist aus zwei wichtigen Gründen entscheidend“, so Paul Boris, Leiter Manufacturing Industries bei GE Digital. „Durch die digitale Darstellung können wir die Bedingungen und Belastungen, denen eine Maschine ausgesetzt ist, berücksichtigen. Wir haben z.B. bei einigen Flugzeugtriebwerken ein unerwartetes Abnutzungsmuster beobachtet. Statt alle Triebwerke aus dem Verkehr zu ziehen in der Hoffnung, das Problem so zu lösen, haben wir digitale Darstellungen benutzt, um die Abnutzungs- muster dieser spezifischen Maschinen zu kartieren.“

GE erkannte, dass die abnehmenden Leistungen vom Anwendungsmuster abhängig waren. „Der Staub einer Weltregion ist unterschiedlich vom Staub in einer anderen“, erklärt Boris. „Zur Problemlösung haben wir ein Waschsystem entwickelt. Zudem trat das Problem nur bei spezifischen Maschinen und in ganz bestimmten Regionen auf, und die Lösung war auch sehr spezifisch. Daher konnten wir Kosten für die Reparatur von Maschinen, die gar nicht defekt waren, und gleichzeitig die Betriebszeiten und Leistungen für die Kunden verbessern.“

Auch die NASA hat MBSE-Techniken implementiert, um die ständig zunehmende Komplexität der Raumfahrtmissionen unter Kontrolle zu halten. „MBSE erlaubt die Erfassung der Projektinformationen in einer einzigen Datenbank sowie die effektive Kommunikation dieser Informationen an eine große Gruppe von Benutzern“, erklärt Brian Cooke, Systems Engineer am Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Kalifornien. Cooke arbeitet am NASA-Projekt Europa, das sich die Erforschung von Jupiters Mond Europa in den 2020er Jahren zum Ziel gesetzt hat.

BREITE IMPLEMENTIERUNG

MBSE wurde bisher nur in einigen wenigen Praxisbeispielen realisiert. Roman Dumitrescu, Geschäftsführer Strategie, Forschung und Entwicklung beim Technologie-Netzwerk „it’s OWL“ (Intelligent Technical Systems OstWestfalenLippe) und Leiter der Abteilung Produktentstehung der Fraunhofer-Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik, verweist auf verschiedene Faktoren, die den Einsatz von MBSE begrenzen. „Es gibt keinen MBSE-Standard, der gut definierte Prozesse zur Implementierung von MBSE und spezifische Profile für
die Modellierung von komplexen technischen Systemen beinhaltet“, so Dumitrescu. „Außerdem gibt es nicht genug Ingenieure, die MBSE benutzen können, und es gibt fast überhaupt keine beruflichen Schulungsprogramme.“

Laut Dumitrescu müssen Unternehmen im Maschinen- und Anlagenbau ihre eigenen MBSE-Methoden auf Grundlage von realen technischen Aufgaben entwickeln, um eine breite Implementierung zu erreichen. „Man muss mit weniger komplexen Systemen anfangen und auch an den Prozessen und dem Sprachprofil arbeiten“, fügt er hinzu. „Unternehmen müssen alle Ingenieure mit MBSE vertraut machen und kleinere MBSE-Expertenteams zusammenstellen.“

Peterson stimmt zu: „Ein gut definiertes, ausreichend ausgestattetes Pilotprojekt einer passenden – selbst einer kleinen – Größe kann den Wert von MBSE klar zeigen“, sagt Peterson. „Aber es ist kein Allheilmittel. Die Umstellung auf einen modellbasierten Ansatz, der Modelle ver- schiedener technischer Disziplinen verbindet, erfordert Investitionen, Engagement, eine gute Führung und Kompetenz, damit der Ansatz auf Dauer leistungsfähig ist und einen Wettbewerbsvorteil verschafft.“ ◆

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von Lindsay James

Professor Jan Bosch darüber, wie sich Systems Engineering weiterentwickeln muss:
http://bit.ly/BoschOnMBSE
 
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