Systems Engineering – WHAT IS MBSE?

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Das Systems Engineering-Männchen haben Sie bereits kennengelernt? Bislang basiert die Produktentwicklung im Idealfall auf gut gelenkten Dokumenten, wie z.B. dem Lastenheft in Word – was jedoch an die Grenzen der Leistungsfähigkeit in den heutigen Entwicklungsprojekten und -organisationen stößt. Die voranschreitende Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnik hat in Verbindung mit den für die verteilte globale Wertschöpfung nicht geeigneten Ansätzen der „Powerpoint-Entwicklung“ die Idee eines modellbasierten Systems Engineerings hervorgebracht: Model-Based Systems Engineering (MBSE). Anders als in der weitgehend etablierten modellbasierten Entwicklung – repräsentiert beispielsweise durch CAD, FEM und auch durchaus Ansätzen wie Modelica – stehen im MBSE nicht fachdisziplinspezifische Artefakte im Mittelpunkt, sondern eine fachdisziplinübergreifende Beschreibung des Systems: das Systemmodell. Je nach Ausgestaltung soll dies von allen Disziplinen für unterschiedliche Zwecke genutzt werden. Meistens wird es für das Anforderungsmanagement als Hauptanwendungszweck genutzt, aber im Kern geht es um die Systemarchitektur, zur Beschreibung der Wirkungsweise eines mechatronischen Systems inkl. seines Verhaltens. MBSE ist damit die Weiterentwicklung des klassischen Systems Engineering – häufig wird es kurz definiert als „die formalisierte Anwendung von Modellen zur Unterstützung sämtlicher Aufgaben im Produktlebenszyklus“. Das Systemmodell unterstützt dabei grundsätzlich die Zusammenarbeit und Kommunikation aller im Projekt vertretenen Disziplinen; und das bereits sehr früh im Projekt – im Prinzip von der ersten Sekunde an.

Aber langsam: Model-Based Systems Engineering liefert Methoden, mit denen Systemdenken wirksam unterstützt werden kann und auch abstraktes Wissen gesichert werden kann. Mit dem Systemmodell soll von Beginn des Lebenszyklus eine fachdisziplinübergreifende Systemspezifikation konsistent beschrieben und genutzt werden. Laut INCOSE ist MBSE “the formalized application of modeling to support system requirements, design, analysis, verification, and validation, beginning in the conceptual design phase and continuing throughout development and later life cycle phases” [INC07] Damit ist der Anwendungszweck des MBSE sehr breit gefasst. Zunächst kann es dazu dienen, das Planen und Klären der Aufgabe zu unterstützen. Wir empfehlen, bereits mit dem Produktmanager oder dem Vertrieb im Sinne des MBSE zusammenzuarbeiten. So können Kundenbedürfnisse viel leichter und eindeutiger in erste technische Spezifikationen übersetzt werden. So wird sukzessive eine Systemarchitektur entwickelt und die Modul- und Komponentenspezifikation vorangetrieben – und hierauf aufbauend wieder neue Aufgaben in der Projektarbeit ausgesteuert werden. Nach obiger Definition müsste das Systemmodell sich im Verlauf eines Lebenszyklus jedoch auch weiterentwickeln – je nach verfolgtem Zweck. Die möglichen Anwendungszwecke sind mannigfaltig!

Ein guter Freund von uns – Rob Cloutier – sagt immer: Modellierung als Grundlage des MBSE ermöglicht

  • ein besseres Problemverständnis
  • das Erkennen und Beherrschen von Komplexität
  • eine verbesserte Kommunikation zwischen allen Beteiligten eines Projekts.

Mit diesem Verständnis wird deutlich: MBSE ersetzt nicht die Modelle der Fachdisziplinen, sondern ergänzt sie. Zudem ist über die rein technische Sicht auch eine sozio-technische Komponente des MBSE erkennbar. INCOSE ist überzeugt, dass sich das MBSE als zentrales Paradigma der Systementwicklung etablieren wird. Versteht man MBSE als logische Weiterentwicklung des klassischen Systems Engineerings ist es im Einklang mit den Normen wie z.B. der ISO/IEC15288 auch Grundlage für die zahlreichen technischen oder techniknahen Managementaktivitäten im Lebenszyklus und damit viel stärker an den Entwicklungsprozess gekoppelt als häufig diskutiert. Damit werden die zwei Säulen des Systems Engineering auch nachvollziehbar, auf denen komplexe Projekte erfolgreich aufbauen: Systemarchitekturentwicklung und Projektmanagement.

Nun – lange Rede kurzer Sinn: Wie geht MBSE eigentlich? – TUN ist unsere Antwort.

So leicht ist es natürlich nicht, daher hier einmal noch ein Einblick in die absoluten Basics der Ansätze:

Zur Erstellung des Systemmodells als Kern des MBSE bedarf es einer Beschreibungssprache, einer Methode und eines Werkzeug – z.B. iQUAVIS. Und motivierte Mitarbeiter, die etwas verändern und verbessern wollen!

Trotz einiger Unklarheiten hinsichtlich des Begriffs „Systemmodell“ – über die Inhalte des Systemmodells herrscht weitgehend Einigkeit: Systemanforderungen, Systemarchitektur und Systemverhalten:

Systemanforderungen: Es können funktionale und nichtfunktionale Anforderungen unterschieden werden. Funktionale Anforderungen spezifizieren das Verhalten des Systems und dessen Komponenten. Nichtfunktionale Anforderungen definieren Eigenschaften eines Systems wie Zuverlässigkeit, Benutzbarkeit oder Änderbarkeit.

Systemarchitektur: Die Architektur beschreibt die Struktur des Systems und seiner Komponenten, ebenso die Schnittstellen zwischen den Komponenten und zu den Systemgrenzen. Für den Bereich des Maschinenbaus umfasst das häufig auch erste Gestaltinformationen, z.B. in Form von Hüllkurven oder Skizzen.

Systemverhalten: Durch die Architektur und die funktionalen Anforderungen ist das System beschrieben. Anforderungen sind jedoch häufig informale Textdokumente. Durch eine Formalisierung könnten Informationen rechnergestützt abgeleitet werden. Dies ist Aufgabe der Modellierung des Systemverhaltens.

Inhaltlich sollte das Systemmodell mindestens die fachdisziplinübergreifend relevanten Informationen der Entwicklungsaufgabe enthalten. Genau genommen müssten das auch die für mehrere Disziplinen relevanten fachdisziplinspezifischen Daten sein – also sämtliche vom Systems Engineering betroffenen Disziplinen.

Um es kurz zu halten: Sie wollen Sich einfach über MBSE austauschen? Auch das tun wir – da wir Überzeugungstäter sind!

Dennoch auf die Schnelle hier zusammengefasst:

Modellierungssprachen des MBSE

Wie in einer echten Sprache unterliegt der Aufbau einer Modellierungssprache gewissen Regeln. Dies sind die entsprechende Syntax und Semantik:

Die Syntax legt fest, wie die einzelnen Systemelemente in ihrer Art und in ihrem strukturellen Aufbau gestaltet sind. Die abstrakte Syntax ist das Regelsystem, das die Elemente und Bezeichnungen der Sprache definiert. Ähnlich zur natürlichen Sprache (Wörter, Buchstaben, …) sind es in den Modellierungssprachen Systemelemente, Ports, Merkmale der Elemente und die Beziehungen der Elemente untereinander. Die konkrete Syntax ist die grafische Repräsentation der abstrakten Syntax. Mit ihr werden grafische Modelle erstellt, deren Elemente auf die Elemente der abstrakten Syntax verweisen.

Die Semantik legt fest, wie Modellkonstrukte miteinander verknüpft werden müssen, um eine Bedeutung zu haben (statische Semantik). Dies geschieht durch Bedingungen gegen die abstrakte Syntax. Die Bedeutung der Modellkonstrukte ist in der dynamischen Semantik enthalten.

Modellierungsmethoden des MBSE („MBSE-Methoden“)

Eine Modellierungsmethode definiert die Abfolge von Operationen, die zur Erstellung der einzelnen Modelle durchgeführt werden. Der Ablauf der meisten MBSE-Methoden orientiert sich an den Schritten Anforderungsdefinition, Design, Analyse, Verifikation und Validierung. Die Modellierungsmethode muss klar definieren, welche Informationen zu welchem Zeitpunkt wie detailliert notwendig sind – was jedoch eher die Ausnahme ist, da die Tiefe der Modellierung weder in Sprache noch in Methode vorgegeben sind. Grundsätzlich muss daher neben der Leistungsfähigkeit einer Modellierungsmethode auch immer ihre Wirtschaftlichkeit berücksichtigt werden. Sie enden mit der Erstellung der Architektur.

Werkzeuge im MBSE

Mit dem zur Erstellung des Systemmodells notwendigen Werkzeug wird häufig eine Software-Lösung in Verbindung gebracht. Und auch wenn ein „Fool with a Tool still a Fool“ ist – am Ende ist das auch richtig: Sie können wunderbar Workshops mit Karten machen – Sie werden Input generieren, der Sie wirklich weiterbringt. Jedoch wird die Entwicklung digital nur richtig erfolgreich mit einem Werkzeug. iQUAVIS wäre eine Möglichkeit…

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