Ein neuer methodischer Ansatz in der Produktentwicklung – Wird sich MBSE durchsetzen?

Welche Vorteile bietet die MBSE-Entwicklungsmethodik?

Die Komplexität der Produkte nimmt in einem rasanten Tempo zu. Smartphones sind nur ein Beispiel: Die Geräte von heute vereinen die Funktionalität von Telefonen, Kameras, Taschenrechnern und Pagern von gestern und bieten Softwareanwendungen und Internet-Browser auf einem Gerät in Handtellergröße. Das Der Siegeszug von Elektronik, Miniaturisierung und Digitalisierung trägt dazu bei, dass machen Geräten immer intelligenter und kleiner werden.

Um mit diesen Veränderungen Schritt zu halten, müssen die Hersteller die Art und Weise verändern, wie sie komplexe Systeme entwickeln. In diesem Beitrag wollen wir bewährte und innovative Methoden der Entwicklung und Verifizierung von Produkten verglichen und einander gegenüberstellen.

Der traditionelle Ansatz: Konstruieren, bauen, testen

Die traditionelle Entwicklungsmethodik sieht im Wesentlichen so aus:

1. Systemarchitekten und Ingenieure erfassen Produktanforderungen auf eine hohen Abstrauktionsebene und verteilen sie auf einzelne Teams.
2. Jedes Team macht sich an die Arbeit und dokumentiert Anforderungen, abgeleitete Anforderungen und Entwicklungspläne.
3. Wenn erkennbar wird, dass sich die Arbeit eines Teams auf die Arbeit eines anderen Teams auswirkt, findet eine Abstimmung in einem informellen Austausch statt. Im Allgemeinen arbeiten die Teams jedoch unabhängig voneinander. Sie führen schnelle, relativ abstrakte Kalkulationen und Berechnungen durch und erfassen diese in selbst erstellen Spreadsheets.

Bei dieser Herangehensweise konzentrieren sie alle auf Ihre jeweilige Aufgabe. Wenn alle Teams soweit sind, gehen sie zur Prototypen- und Testphase über.

Auf dem Papier mag diese Arbeitsweise praktikabel erscheinen, und wenn das Endprodukt einfach ist, spricht nichts gegen sie. In der Praxis führen nicht streng aufeinander abgestimmte Entwicklungsprozesse zu einer Vielzahl von Problemen, insbesondere bei komplexen Produkten. Zum Beispiel kann ein Team eine kreative Lösung finden, um innerhalb der Grenzen seiner Anforderungen zu arbeiten. Ein anderes Team kann wiederum seine Anforderungen so ausreizen, dass eine praktiable Lösung entsteht. Und ein weiteres Teams könnten den Anforderungskatalog zurückweisen und Änderungen verlangen, weil die Anforderungen nicht realisierbar sind.

Ärger ist vorprogrammiert

Dank der Verschiedenheit ihrer Ansätze unterscheiden sich die Konzeptionen der Teams in erheblichem Maße. Dies führt zu Problemen, die erst später im Produktentwicklungszyklus zutage treten, nämlich dann, wenn die Entwürfe verschiedener Teams zusammengeführt werden. Ohne eine klar definierte und robuste Konsolidierung, können die Ergebnisse einzelner Teams deutlich vom Ziel abweichen und Konstruktionen mit erheblichen Mängeln direkt in die Testphase gehen. Da es keine Kommunikation zwischen den Teams gibt, sind ihre Ansätze intransparent und im schlimmsten Falle inkonsistent. Teure Korrekturen und Terminverchiebungen sind die unvermeidbare Folge.

In der Prototypen- und Testphase werden diese Probleme dann offensichtlich. Das vorgeschlagene Design wird von den Test- und Designteams zusammengeführt, um einen Prototyp zu erstellen. Wenn der Prototyp dann anhand der ursprünglichen Anforderungen getestet wird, und das gewünschte Ergebnis nicht zustandekommt, treten die Probleme zu Tage. Die Konstruktionsteams gehen zurück an ihr Zeichenbrett, ändern die Konstruktion und erstellen mit erheblichem Aufwand einen weiteren Prototypen. Und im schlimmsten Fall, fällt der beim Test erneut durch. Dann wird ein weiterer Prototyp erstellt, und so weiter. Das Projekt erleidet erhebliche Verzögerungen, und die Kosten steigen drastisch an.

Der moderne Ansatz: modellieren, analysieren, realisieren

Der moderne Ansatz unterscheidet sich deutlich von dieser traditionellen Vorgehensweise. Er basiert auf den Prinzipien von Zusammenarbeit, Transparenz und Konsistenz.  Systemingenieure, Systemarchitekten und das Designteam arbeiten Hand in Hand und erstellen ein digitales Modell des Gesamtsystems. Das Modell umfasst alle Systemanforderungen, Funktionen, logischen Architekturen und physischen Architekturen und ermöglicht es den einzelnen Teams, in ihrem jeweiligen Fachgebiet unter validierten Rahmenbedingungen zu arbeiten.

Dieser Ansatz, das modellbasierte Systems Engineering (MBSE), ist sehr dynamisch. Änderungen am Modell können zu jedem Zeitpunkt vorgenommen und an das betroffenen Designteam weitergegeben werden. Das Modell, als zentrale und einzige Quelle der Wahrheit reflektiert alle Änderungen und gewährleistet die Koordination aller Aktivitäten in den einzlenen Entwicklungssabteilungen. Wenn die Teams in die Phase der Detailkonstruktion übergehen, haben sie völlige Freiheit bei der Releaisierung solange sie sich  innerhalb des definierten Rahmens bewegen. Gerät die Implementierung jedoch mit dem Rahmen in Konflikt, muss die Integrität des Modells geprüft werden und das Systems Engineering muss eine Lösung für die Übertretung im Kontext des gesamten Systemmodells  suchen. Bereits einfache Dinge, wie eine Korrektur des Zielgewichts um wenige Kilogramm können dabei zu einer Lösung des Problems führen. Mit diesem Ansatz wird sichergestellt, dass die Integrität des Modells erhalten bleibt.

Der MBSE-Ansatz ist zudem in hohem Maße iterativ und ermöglicht es den Teams, eine Vielzahl von Simulationen und Analysen durchzuführen, mit denen sie ihr Design und die Auswirkungen von Abweichungen außerhalb des zugewiesenen Gestaltungsrahmens testen können. Auf diese Weise können die einzelnen Projektteams erkennen, ob ihr Detailentwurf im Einklang mit den Gesamtanforderungen des Projekts steht. Wenn die MBSE-Methodik auf jedes Subsystem angewendet wird, können sich die einzelnen Teams mit vollem Vertrauen auf ihre individuelle Arbeit konzentrieren. Gleichzeitig ist gewährleistet, dass das Gesamtsystem die erwartete Leistung erbringt und seine Anforderungen erfüllt.

Formalisierte Prüfung

Auf dem Weg durch die Entwurfs-, Prototyping- und Testphase muss das Systemmodell zahlreiche Kontrollpunkte passieren, in denen die Modellkonsistenz geprüft wird. Entwürfe können mit Hilfe von Simulations- und Analyseverfahren in der virtuellen Welt getestet und verifiziert werden, und so gibt es beim Übergang in den physischen Bereich keine bösen Überraschungen. Simulation und Analyse helfen, Probleme aufzudecken und zu lösen. Simulation and analysis help uncover and resolve issues. Der digitale rote Faden, der sich durch den MBSE-Designprozess zieht, bietet den Design- und Ingenieurteams die dringend benötigte Kommunikation und Sichtbarkeit. Wenn das Design physische Tests und Prototyping erreicht, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass jedes Teilsystem und in der Folge das gesamte System so funktionieren, wie beabsichtigt. Mit anderen Worten, die Konsistenz und Zusammenarbeit dieses modernen Ansatzes gibt Unternehmen die Möglichkeit, ihre Produktentwicklungsprozesse zu beschleunigen.

Fassen wir zusammen

• Moderne Produkte werden immer komplexer. Zur Bewältigung dieser Komplexität und zur Einhaltung des Zeit- und Kostenrahmens von Projekten ist es an der Zeit, die Entwicklungsmethodik grundlegend zu überdenken
• Der traditionelle Ansatz in der Produktentwicklung ist von einer starken Spezialisierung geprägt – unterschiedliche Teams arbeiten an unterschiedlichen Anforderungen. Es gibt keine teamübergreifende Konsistenz oder Sichtbarkeit, und jedes Team kann bei der Bewältigung seiner Anforderungen einen anderen Ansatz verfolgen. Da Probleme erst während der physischen Tests erkennbar werden, ist dieser Ansatz sehr zeitaufwändig und kostspielig.
• Der moderne MBSE-Designansatz arbeitet mit Simulation und Modellierung, um ein Produkt in der virtuellen Welt zu analysieren und zu realisieren. Durch diese stark iterative Arbeitsweise können Designteams Probleme frühzeitig im Entwicklungszyklus erkennen und lösen. Darüber hinaus arbeiten die Teams nicht in Isolation, denn sie nutzen alle  denselben digitalen Leitfaden (Digital Thread). Bei konsequenter Anwndung stehen die Chancen gut, dass ein Produktprototyp seine Anforderungen bereits beim ersten Test erfüllt. Niedrigere Kosten und höhere Qualität sind das Ergebnis.