Model Based Systems Engineering

Die Nutzung modellbasierter Ansätze ist in den Ingenieursdisziplinen Mechanik, Elektrik/Elektronik und Software seit vielen Jahren Standard. Während sogenannte CAD- oder CASE-Werkzeuge zur Umsetzung der modelbasierten Ansätze bereits seit den frühen 1980er-Jahren in der Nutzung sind, gewinnen modellbasierte Ansätze auch im Systems Engineering immer mehr an Bedeutung- Es wird erwartet, dass MBSE – ähnlich wie in den genannten Ingenieursdisziplinen – künfitg als das standardisierte Vorgehen für die interdisziplinäre Produktentwicklung gilt.¹

 Modellierung von Systemanforderungen

Basierend auf der Erstellung und Nutzung eines kohärenten, digitalen Systemmodells soll Model-based Systems Engineering (MBSE) dazu dienen, Systems Engineering Aktivitäten zu verbessern, welche traditionell auf dokumentenbasierten Ansätzen beruhen.  Das International Council on Systems Engineering (INCOSE) definiert MBSE als die formalisierte Anwendung der Modellierung zur Unterstützung von Systemanforderungen sowie Entwurf-, Analyse-, Verifizierungs- und Validierungsaktivitäten, die in der Konzeptionsphase beginnen und sich über die gesamte Entwicklungsphase und die späteren Lebenszyklusphasen fortsetzen 2. Die wesentlichen Vorteile von MBSE gegenüber dokumentenbasierten Ansätzen können wie folgt zusammenfasst werden1, 3, 4, 5, 6

  • Verbesserung der Qualität der Systemspezifikation und des Systemdesigns
  • Verbesserung der Interpretation von Systemspezifikationen und damit eine Verringerung der wahrgenommenen Systemkomplexität
  • Wiederverwendung von Systemspezifikationen und Designartefakten
  • Verbesserung der Kommunikation zwischen den Entwicklungsteams
  • Verbesserung der Rückverfolgbarkeit infolge der Verknüpfung von Modellelementen
  • Systemmodell als Grundlage für die frühzeitige Systemverifizierung und -bewertung durch die Integration formeller Simulationsmodelle sowie als Grundlage für das folgende fachspezifische Design
“Model-based Systems Engineering (MBSE) is the formalized application of modeling to support system requirements, design, analysis, verification, and validation activities beginning in the conceptual design phase and continuing throughout development and later life cycle phases.” -
 
INCOSE 2

Um die genannten Vorteile des MBSE nutzen zu können, sind für die Erstellung eines Systemmodells die folgenden drei Elemente von wesentlicher Bedeutung:1

  1. eine (grafische) Modellierungssprache
  2. eine Entwurfsmethode für die Systemspezifikation
  3. ein Modellierungswerkzeug

Modellierungssprachen

Basierend auf einer festgelegten Syntax dienen Modellierungssprachen der grafischen Repräsentation des zu beschreibenden Objekts. Im Systems Engineering dient die Modellierungssprache zur Darstellung der gewünschten Systemspezifikation, welche meist Ansichten auf die Systemanforderungen, die Systemfunktionen, die innere und äußere Struktur des Systems sowie Ansichten auf das Systemverhalten integriert 4, 7, 8. Im Allgemeinen können Modellierungssprachen in deskriptive Sprachen zur Beschreibung eines Systems und in Simulations-sprachen für die Analyse des Systemverhaltens unterschieden werden. Deskriptive Modellierungssprachen für die Systemspezifikation sind u.a.:

  • Systems Modeling Language (SysML)9
  • Object Process Methodology (OPM)10
  • ARCADIA (ARChitecture Analysis and Design Integrated Approach) DSML (Domain Specific Modeling Language)11
  • CONSENS (CONceptual design Specification technique for the Engineering of mechatronic Systems)12, 13

Modellierungswerkzeuge

Modellierungswerkzeuge dienen der technischen und softwareseitigen Unterstützung von Modellierungssprache und –methode zur Erstellung eines Systemmodells. Es gibt eine Vielzahl von kommerziellen und nicht kommerziellen Modellierungswerkzeugen auf dem Markt. Bekannte Modellierungswerkzeuge für die Systemspezifikation sind:

  • Cameo Systems Modeler von NoMagic14
  • Enterprise Architect (EA) von Sparx Systems15
  • Integrity Modeler von PTC16
  • Rational Rhapsody by IBM17
  • Capella von PolarSys
  • iQUAVIS von ISID

Quellen
1 
Friedenthal, S.; Moore, A.; Steiner, R.: A Practical Guide to SysML: The Systems Modeling Language. Second Edition. Morgan Kaufmann Pub, London, 2012
2 International Council on Systems Engineering (INCOSE): Systems Engineering Vision 2020 http://www.ccose.org/media/upload/SEVision2020_
0071003_v2_03.pdf

3 Bernard, Y.: Requirements Management within a Full Model-Based Engineering Approach. In: INCOSE Systems Engineering, Volume 15, Issue 2, pages 119-139, Wiley Online Library, 2012 https://onlinelibrary.wiley
.com/doi/epdf/10.1002/sys.20198

4 Hybertson, D.W.: Model-oriented Systems Engineering Science. A Unifying Framework for Traditional and Complex Systems. CRC Press, Boca Raton, 2009
5 Buede, D.M.: The Engineering Design of Systems - Models and Methods. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 2009
6 ISO/IEC/IEEE 15288:2015 Systems and Software Engineering –System Life Cycle Processes, 2015
Kossiakoff, A. et al.: Systems Engineering Principles and Practice. Wiley, Hoboken, USA, 2011
8 Gilz, T.: PLM-Integrated Interdisciplinary System Models in the Conceptual Design Phase Based on Model-Based Systems Engineering. Ph.D. Thesis, Schriftenreihe VPE, Vol. 13, University of Kaiserslautern, 2014
9 Object Management Group (OMG): OMG Systems Modeling Language Version 1.5. http://www.omg.org/spec/SysML/About-SysML/  (eingesehen am 25.01.2019)
10 Dori, D.: Model-Based Systems Engineering with OPM and SysML. Springer Science+Business Media, New York, 2016
11 Roques, P.: MBSE with the ARCADIA Method and the Capella Tool. ERTS² 2016 - 8th European Congress on Embedded Real Time Software and Systems, Toulouse France, January 27-29, 2016
12 Kaiser, L.: Rahmenwerk zur Modellierung einer plausiblen Systemstruktur mechatronischer Systeme. Paderborn, 2013. http://digital.ub.uni-paderborn.de/hsx/content/titleinfo/1022828 (eingesehen am 25.01.2019)
13 Adelt, P. et al.: Selbstoptimierende Systeme des Maschinenbaus – Definitionen, Anwendungen, Konzepte. HNI-Verlagsschriftenreihe, Band 234, Paderborn, 2009
14 NoMagic: Cameo Systems Modeler. https://www.nomagic.com/products/cameo-systems-modeler (eingesehen am 25.01.2019)
15 Sparx Systems: Enterprise Architect. http://sparxsystems.com/products/ (eingesehen am 25.01.2019)
16 PTC: Integrity Modeler. https://www.ptc.com/en/products/plm/plm-products/integrity-modeler (eingesehen am 25.01.2019)
17 IBM: Rational Rhapsody. https://www.ibm.com/us-en/marketplace/rational-rhapsody (eingesehen am 25.01.2019)

 

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