MBSE: Der Booster bei der digitalen Transformation?

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Innovation ist das A und O in der Luftfahrt-, Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie (Aerospace & Defense, A&D). In der Tat ist Innovation der Kern des aufkeimenden Markts für urbane Luftmobilität (Urban Air Mobility, UAM). Sie eröffnet neue Möglichkeiten im Bereich der Antriebe (elektrisch, hybridelektrisch und Wasserstoff) und läutet eine neue Ära der Raumfahrt und Erforschung ein. Das modellbasierte Systems Engineering (MBSE) hilft dabei.

MBSE: Wohin man blickt – großartige Ideen entstehen schneller denn je. Es wird von neuen Überschall- und Hyperschallflügen gesprochen. Auch grüne Lösungen und neue Nachhaltigkeitsmaßnahmen sind auf dem Vormarsch. Die Inno­vation wird von Start-ups auf der ganzen Welt ebenso vorangetrieben wie von den großen Akteuren im Handels- und Verteidigungssektor. Für die Welt des Engineerings und der Produktentwicklung bedeutet dies, dass nicht nur Innovationen gefordert sind, sondern auch eine schnellere Markteinführung von sicheren und zuverlässigen Produkten bei gleichzeitiger Reduzierung der Programmkosten.

Umgang mit der Komplexität

Die Komplexität, die Innovationen behindern kann, wird nicht verschwinden – im Gegenteil, sie nimmt täglich zu. Zusätzlich zu den alltäglichen Komplexitäten zeichnen sich neue Herausforderungen am Horizont ab. Wir beobachten eine zunehmende Elektrifizierung des gesamten Flugzeugs. Effizientere und zuverlässigere elektromechanische Optionen verdrängen die Hydrauliktechnologien; Elektronik ersetzt traditionellere mechanische Funktionen. Nicht zu vergessen, dass heutzutage alles von Software gesteuert wird. Der Einbau von mehr Softwarefunktionen in ein Flugzeug ist ebenfalls im Kommen. Es stimmt zwar, dass Software eine bessere Kontrolle und Flexibilität, sowie eine höhere Effizienz und futuristische Fähigkeiten ermöglicht, aber sie erschwert auch die Aufgaben des Ingenieurteams erheblich.
Das Entwerfen, Validieren, Zertifizieren und Ausliefern eines Aerospace & Defense-Produkts ist heutzutage ein schwieriges Unterfangen.

Die Verflechtung von allem

Führungskräfte aus der Luft- und Raumfahrtbranche sind auf der Suche nach den neuesten Methoden zur Entwicklung von Flugzeugen der nächsten Generation. Immer mehr Systeme sind miteinander vernetzt. A&D-Teams benötigen deshalb eine bewährte Methode, um diese Produkte schneller auf den Markt bringen zu können und dabei die wachsende Nachfrage nach innovativen und hochgradig vernetzten Produkten zu befriedigen. Das modellbasierte Systems Engineering (MBSE) ist diese Methode. MBSE macht die Komplexität hinter hochintegrierten Systemen nutzbar und ermöglicht, innovative Produkte rechtzeitig und innerhalb des gesteckten Zeitplans auf den Markt zu bringen.

Das Aufkommen von MBSE

Das modellbasierte Systems Engineering ermöglicht Teams, die integrierte Systeme entwerfen und bauen, eine effektive Kommunikation und Zusammenarbeit. MBSE erfreut sich zunehmender Beliebtheit, weil es ein moderner Ansatz für die Systementwicklung ist. Die Engineering-Methode ermöglicht ein hohes Maß an Integration und Effizienz bei komplexen Systemen und Prozessen. Einige in der Branche kennen vielleicht bereits MBSE-Methoden, während andere eher mit Systems Engineering oder Systems Design vertraut sind, da diese Methoden heute üblich sind. Um die Vorteile des MBSE zu verstehen, ist es wichtig, diese beiden Begriffe zu definieren.

Systems Engineering beginnt mit dem großen Ganzen und arbeitet sich bis in die Details vor. Dabei geht es darum, Anforderungen und Funktionen in Systeme, Subsysteme und Komponenten zu zerlegen. Durch diesen methodischen Prozess, bei dem die Anforderungen von einer Ebene auf die nächste heruntergebrochen werden, ist es möglich, eine Anforderung von der Gesamtansicht eines Flugzeugs bis hinunter zu einem integrierten Schaltkreis und wieder hinauf zu verfolgen.

Systems Design hingegen ist eine interdisziplinäre Ingenieurstätigkeit, die die Realisierung eines bestimmten Systems ermöglicht. Dabei handelt es sich um einen Prozess, der Komponenten, Schnittstellen und andere Daten definiert, um sicherzustellen, dass alle spezifizierten Anforderungen erfüllt werden. Es ist zudem ein wichtiger Prozess, sich auf die Sicherheit zu konzentrieren.

Dokumentenbasierte Lösungen sind ein Nachteil

Unternehmen, die heute ein Systems-Engineering-Konzept anwenden, haben Schwierigkeiten, wenn sie sich auf dokumentenbasierte Lösungen verlassen. Ein Anforderungssatz befindet sich vielleicht in einer Datenbank, die Systemmodellierung in Microsoft Visio oder SysML-Tools, die Systemsicherheitsanalyse in verschiedenen anderen Werkzeugen und die Verifikations- und Testdaten in einer Excel-Tabelle. Die Daten hängen nicht zusammen und die Ergebnisse sehen aus wie ein Dokument. Zudem findet ein Großteil dieser Aktivitäten oft in isolierten Arbeitsbereichen oder Silos statt. Wenn neue Anforderungen und Systemmodelle erstellt werden, um größere, komplexere Systeme zu definieren, lassen sich dokumentenzentrierte Ansätze nicht skalieren. Es ist fast unmöglich, die Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten, wenn man versucht, zehn- oder hunderttausende von Interaktionen zu berücksichtigen.

Mit MBSE werden alle Prozesse in der Produktentwicklung, die Entscheidungen und Daten bereichsübergreifend verknüpfen, durch einen umfassenden digitalen Zwilling und Digital-Threads-Workflows unterstützt. Diese „Single Source of Truth“ macht die Daten für die multidisziplinäre Entwicklung von innovativen A&D-Produkten leichter zugänglich.

MBSE und die digitale Transformation

Es ist wichtig zu erkennen, dass der MBSE-Ansatz viel mehr ist als funktionale oder logische Modellierung. Er ist als digitaler Faden (MBSE digital thread) aufgebaut und dient als „digitales Rückgrat“, das die Aktivitäten von Entwicklung, Fertigung, Supply Chain und Programmmanagement miteinander verbindet. Ein digitaler Faden ist ein Verbund aus miteinander verwobenen und verbundenen digitalen Strängen, die ein Ökosystem für Program Execution Excellence bilden.

Der digitale MBSE-Faden schafft einen modellbasierten Systems-Engineering-Prozess, der viele Domänen innerhalb des digitalen Unternehmens miteinander verbindet. Durch die enge Integration dieses digitalen Prozesses können Teams aus diesen Bereichen testen und die Grenzen virtuell verschieben. So lässt sich das Produkt optimieren, bevor die Hardware gebaut wird und ohne nachgelagerte Arbeiten und Zeitpläne zu gefährden. Wenn Unternehmen von der Systemmodellierung zum MBSE-Ansatz übergehen, können sie ein offenes Ökosystem nutzen, das die Verwendung jedes beliebigen Werkzeugs für die Systemmodellierung ermöglicht. Ihnen steht der gesamte Lebenszyklus von Daten und Informationen zur Verfügung, die man für die Zertifizierung, Prüfung, Verifizierung, Lieferung und Wartung neuer Produkte benötigt.

Ein robuster, umfassender digitaler ­MBSE-Faden ermöglicht es Unternehmen, ihr technisches Programm zu organisieren und ihren technischen Spielraum während des gesamten Produktlebenszyklus zu verwalten. Dies ist von großer Bedeutung, da die Entwicklung vieler Produkte mehrere Jahre in Anspruch nimmt und die Flugzeughersteller ein gewisses Maß an Kontinuität gewährleisten müssen.

Akzeptanz von MBSE in der Branche

MBSE kommt immer häufiger zum Einsatz, wenn Unternehmen komplexe und hoch integrierte Systeme zertifizieren müssen. Die Federal Aviation Agency (FAA), die European Union Aviation Safety Agency (EASA) und andere Aufsichtsbehörden erwarten von den OEMs und ihren Partnern einen besser organisierten Systementwicklungsansatz. Auch das Verteidigungsministerium der Vereinigten Staaten (DoD) hat die Notwendigkeit von MBSE erkannt. Das DoD sieht MBSE als Mittel, um Anforderungen effektiver an die OEMs zu kommunizieren und einen Prozess zu etablieren, der es ermöglicht zu überprüfen, ob alle Anforderungen erfüllt wurden. Ein robuster digitaler MBSE-Faden erlaubt es Unternehmen, ihre Produktentwicklungs- und Zertifizierungsprozesse zu beschleunigen und gleichzeitig die Kommunikation mit den verschiedenen Aufsichtsbehörden zu verbessern.

Mit MBSE in die Zukunft

Der digitale MBSE-Faden verbindet die Anforderungen mit dem Modell, dem Design, der Analyse und schließlich mit den Verifizierungsprozessen. Da Unternehmen diese Datenübergaben mit einem digitalen Faden (und nicht mit einem gedruckten Dokument) automatisieren, erhalten sie den Vorteil einer vollständigen Nachverfolgbarkeit. Die Zusammenarbeit und Kontinuität der Daten erfolgt über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg. Das Ergebnis ist, dass Unternehmen ihre Entwicklungszeit durch die Einführung des digitalen MBSE-Fadens verkürzen und weniger Nacharbeit haben. Mit MBSE lässt sich der gesamte Produktlebenszyklus vom Konzept über das Design bis hin zur Fertigung schneller und mit weniger Risiko durchlaufen. Teams erhalten damit die Möglichkeit, flexibel und agil zu sein, um auch komplexe Aufgaben erledigen zu können.

Der Autor Dale Tutt ist Vice President of Aerospace and Defense Industry bei Siemens Digital Industries Software.

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