Torsten Gilz. PLM - Integrated Interdisciplinary System Models in the Conceptual Design Phase Based on Model-Based Systems Engineering

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1 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner Torsten Gilz PLM - Integrated Interdisciplinary System Models in the Conceptual Design Phase Based on Model-Based Systems Engineering Schriftenreihe VPE Band 13 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner

2 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Herausgeber: Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner Postfach 3049 Technische Universität Kaiserslautern, Gebäude 44 D Kaiserslautern Verlag: Technische Universität Kaiserslautern Druck: Technische Universität Kaiserslautern Hauptabteilung 5 Abteilung 5.6 Foto-Repro-Druck D-386 Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Kaiserslautern 2014 Alle Rechte vorbehalten, auch das des auszugsweisen Nachdrucks, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe (Photographie, Mikroskopie), der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und das der Übersetzung. Als Manuskript gedruckt. Printed in Germany. ISBN ISSN

3 PLM-Integrated Interdisciplinary System Models in the Conceptual Design Phase Based on Model-Based Systems Engineering Vom Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Technischen Universität Kaiserslautern zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Herrn Dipl.-Ing. Torsten Gilz aus Trier Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Christian Schindler Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner Prof. Dr. Chris Paredis Mündliche Prüfung: 23. Oktober 2014 Kaiserslautern 2014 D-386

4 i Acknowledgements This thesis was written during my work as a research assistant at the Institute for Virtual Product Engineering (VPE) at the Technical University of Kaiserslautern in Germany. I would like to thank my advisor Prof. Dr. Martin Eigner for giving me the opportunity to learn, grow and explore. He gave me ideas and food for thought in many discussions. Many thanks also to Prof. Dr. Chris Paredis from Georgia Tech in Atlanta for his constructive comments ever since I met him at my first conference in Since then we had interesting exchange of ideas until the defense of the thesis. I enjoyed the fruitful discussions and challenging questions. In addition, I would like to extend my thanks to Prof. Dr. Christian Schindler from the Technical University of Kaiserslautern for joining the board of examiners in his role as chairman, and for the interest in my academic career since I started working at his institute as a student assistant. I would also like to thank all my colleagues Alexander Keßler, Christian Muggeo, Thomas Dickopf, Karl-Gerhard Faißt, Sebastian Sindermann, Marcellus Menges, Joscha Ernst, Daniil Roubanov, Patrick Schäfer, Hristo Apostolov for all the discussions, support and fun at the workplace, as well as in the leisure time, and Stefan Agne for keeping the servers running. I would especially like to express my gratitude to colleague Radoslav Zafirov, who supported me with deep discussions and influences in the area of model-based systems engineering and function modeling. His willingness to share his ideas and opinion in many discussions, contributed greatly to the successful completion of my dissertation thesis. I specially thank Philipp Reise for his dedicated work in programming and the fun times during the last years, and Ulla Aydt, who organized the institute, provided a familiar atmosphere and covered our backs in harder times. Finally, I would like to thank my family and friends, and especially my wife Melanie for her continuous strong support and for believing in me throughout the stressful years and to my son Philipp who gave me new thoughts by his sunny temper. Kaiserslautern, November 2014 Torsten Gilz

5 ii Kurzfassung Heutige Produktentwicklung ist geprägt durch die zunehmende Einbettung von Mikrocomputer und die zunehmende Realisierung von Funktionen durch Software. Es besteht die Herausforderung, interdisziplinär bereits in der frühen Konzeptphase ein Systemverständnis zu generieren, um so einen interdisziplinären Systementwurf zu unterstützen. Eine top-down Spezifizierung über Methoden des Systems Engineerings und bottom-up Realisierung über die Methoden der spezifischen Disziplinen ist eine vielversprechende Herangehensweise bei einer komplexen Produktentwicklung. Dies geht einher mit dem Bedarf einer intensiveren Verwendung von Modellen zur frühen Spezifizierung anstelle von Spezifikationsdokumenten, um so eine durchgängige Rechnerunterstützung von der Anforderungsspezifikation bis hin zur konkreten Problemlösung zu erhalten. Bisherige Produkt Lebenszyklus Management (PLM) Konzepte verwalten primär die technische Realisierung auf disziplinspezifischer Ebene und weniger eine funktionale, system-orientierte Produktbeschreibung. Da gerade in der Konzeptphase der Einfluss auf die spätere Gesamtlösung besonders hoch ist, stellt der Einsatz von Methoden und Werkzeugen des modelbasierten Systems Engineerings zur Beschreibung des Systems einen großen Mehrwert im Hinblick auf die transparente interdisziplinäre Anforderungs- und Lösungsdefinition dar. Dies bezieht sich vor allem auf die Sicherstellung der Nachverfolgbarkeit und Durchgängigkeit von Informationsartefakten aus der Anforderungs- und Konzeptphase bis hin zu den disziplinspezifischen Entwurfselementen für die spätere Detaillierung, welches ein erstes Ziel dieser Arbeit beschreibt. Durch das Festlegen der notwendigen konzeptuellen Informationsartefakte für die funktionale Produktbeschreibung ist eine semantische Basis geschaffen, die den konzeptionellen Rahmen definiert und als zweites Ziel eine effektive modellbasierte Beschreibung eines Produktes in der frühen Phase ermöglichen soll. Die von Dokumenten und Modellen getrennte Verwaltung dieser Informationsartefakte über ihren Lebenszyklus ist hierfür das dritte wichtige Ziel. Um diese Ziele zu erreichen, gliedert sich die Arbeit in drei Bestandteile: - Das interdisziplinäre Systemmodell in Form einer funktionalen Produktbeschreibung (FPD) in der frühen Phase, welches sich den Mitteln des modellbasierten Systems Engineerings bedient.

6 iii - Die entwickelte SE-VPE Methode zur Erstellung dieses Modells ist angelehnt an das in der VDI 2206 Richtlinie definierte V-Modell zum Entwurf mechatronischer Systeme. Die Methode dient als Leitfaden unter Zuhilfenahme einer angepassten Modellierungssprache mit graphischen Diagrammen auf Basis der Systems Modeling Language (SysML). - Das SE-VPE Datenmodell, welches es ermöglicht, die wichtigsten Informationsartefakte des interdisziplinären Systemmodells (FPD Modell) in ein PLM Konzept zu integrieren. Hierfür wurden schon vorhandene Standards und Werkzeuge mit einbezogen. Die prototypische Realisierung dieser Bestandteile wurde durch einen softwaretechnischen Demonstrator erreicht. Innerhalb dieses Demonstrators wurde ein Beispielmodell eines Hydrokeratoms, welches ein für die LASIK Chirurgie entwickeltes medizinisches Gerät ist, erstellt. Dies erfolgte in SysML mit Hilfe der vorgeschlagenen SE-VPE Methode und des dazugehörigen SE-VPE Sprachprofils. Das Modell der funktionalen Produktbeschreibung beinhaltet die Anforderungen, Funktionen und logischen Systemelemente des Hydrokeratoms, als generische Produktstrukturierung. Des Weiteren wurde die generische Systemstruktur mit den instanziierten Teilen und Baugruppen, welche die konkrete technische Ausprägung des Systems darstellen, verbunden. Somit wird eine durchgängige Verfolgung von der Anforderung bis hin zur technischen Realisierung ermöglicht. Die Verwaltung des Modells erfolgte in einem autorensystemnahen Team Data Management (TDM), um so die kontinuierliche und zeitgleichen Zusammenarbeit am Modell zu ermöglichen. Das SE-VPE Datenmodell wurde in eine PLM Systemlösung implementiert, um so die Integration des FPD Modells sicherzustellen und den Informationszugriff disziplinenübergreifend zu ermöglichen. Um den Zugriff und die Sichtbarkeit des FPD Modells für Anwender ohne spezifische Kenntnisse im modelbasierten Systems Engineering zu erleichtern, wurde ein Visualisierungsprogramm implementiert, welches die erstellten Strukturen in anschaulicher Weise gegenüberstellt. Der Demonstrator und die damit verbundene SE-VPE Methode wurde im Hinblick auf die anfangs aufgestellten Anforderungen evaluiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass es möglich ist durch den Einsatz von SysML, sowie des angepassten SE-VPE Profil ein funktionales Produktbeschreibungsmodell zu erstellen. Dieses Beschreibungsmodell erfasst Abhängigkeiten zu Anforderungen, frühen Entwurfselemente und instanziierten Teilen der Produktstruktur im PLM System. Durch diese funktionale, system-orientierte

7 iv Sicht wird die Lücke zwischen Anforderungs- und komponenten-orientierter Produktdatenmanagement verringert. Dies ermöglicht die Verfolgung der Informationsartefakte von der Anforderungsphase (Anforderungen) über die konzeptuelle Phase (Funktionen, logische Systemelemente) hin zur technischen Realisierungen (physische Systemelemente) durch die explizite Abbildung von Abhängigkeiten untereinander und die Unterstützung des Änderungsmanagements in der PLM Lösung. Die in der Evaluierung gewonnen Erkenntnisse fließen in die Formulierung des Ausblicks für zukünftige Arbeiten ein.

8 v Abstract Product development today is characterized by an increasing level of integration of microcomputers and more and more realization of functions in software. The challenge lies in generating an interdisciplinary understanding of the system already during the early conceptual design phase, in order to thus support an interdisciplinary system design. In complex product development, a top-down specification via System Engineering methods and bottom-up realization with the methods of specific disciplines are a promising approach. This is closely linked to the need for a more intensive use of models for an early specification instead of specification documents, because it provides the basis for a continuous and consistent computer-aided process from the specification of requirements to concrete solutions to problems. Product Lifecycle Management concepts up to now mainly manage the technical realization on a discipline-specific level rather than a functional and system-oriented product description. The management of these information artifacts throughout their lifecycle, separate from documents and models, is an important enabler for the above approach. The identification of fundamental conceptual elements for the Functional Product Description forms a semantic basis which defines the conceptual framework. The interdisciplinary system model in the form of a Functional Product Description (FPD) at an early stage avails itself of the means of Model-Based Systems Engineering. The developed SE-VPE method for the generation of this model is derived from the V-model and serves as a guideline with the help of a customized language and graphical diagrams on the basis of System Modeling Language (SysML). The SE-VPE data model is developed for the representation of the FDP model in order to integrate the interdisciplinary system model (FDP) into a PLM concept Prototypical realization is achieved with a software-technical demonstrator in which a sample model was created: a hydrokeratome, which is a medical device especially developed for LASIK surgery. This is done in SysML with the help of the suggested SE- VPE method and the belonging SE-VPE language profile. The model is managed in an authoring-system-related Team Data Management (TDM) to allow for the uninterrupted and simultaneous collaboration on the model. The SE-VPE data model is implemented in a PLM system solution to ensure the integration of the FPD model and to enable interdisciplinary access to information.

9 Content vii Content List of Abbreviations... xi List of Figures... xii 1 Introduction Starting situation Motivation Product Development Process Product Data Model Lifecycle Management Research objectives and questions Thesis structure Fundamental terms and State of the Art General process models in product development Mechanical product design process Mechatronic design process Embedded systems design process Systems Engineering Standards in Systems Engineering Organizational roles in a multidisciplinary systems engineering team Model-Based Systems Engineering Languages in Model-Based Systems Engineering Concepts in Model-Based Systems Engineering PDM/PLM integration activities in MBSE Profiling and domain-specific languages Data exchange formats Product Lifecycle Management Product Lifecycle Management concept Product Lifecycle Management solution Engineering change Process Team Data Management... 38

10 viii Content Simulation Data Management (SDM) Existing tools and approaches for the creation and management of system models Authoring systems Approaches for the management of dependencies Integration approaches for interdisciplinary system models Requirements towards a Solution for PLM-integrated System Models in the Product Development Process Requirements regarding an interdisciplinary system model Requirements regarding a method for integrated system model design and usage Requirements regarding a solution for Lifecycle Management Evaluation of the state of the art regarding the defined requirements Conceptual Foundation for an Integrative Model-Based System Design Method Methodical integration framework Modeling Principles Functional Product Description Framework for integrative system modeling based on the Functional Product Description (FPD) Method for modeling a Functional Product Description Language for modeling a Functional Product Description Representation of a Functional Product Description PLM-integrated Functional Product Description Modeling example hydrokeratome Language and Method for Model-Based Functional Product Description Central issue of Functional Product Description model SE-VPE Profile for the Functional Product Description with SysML Stereotypes for the extension of SysML elements Reuse of SysML and UML Graphical Modeling of the Functional Product Description Model checking rules SE-VPE method... 80

11 Content ix Technical System Requirement Analysis Define and clarify the System Design task Functional Modeling determine System Functions and their structure Logical System Modeling model the solution concept First interdisciplinary simulations - simulate and refine Map discipline-specific design value stream Concept of a PLM-integrated MBSE/CASE Environment for Functional Product Description Central Issue of lifecycle integration of the Functional Product Description Preliminaries for PLM Integration Basic structures Roles and Users File and document management in TDM Versioning in PLM Changes of versioned elements Lifecycle and Workflow Support Server methods Data model for FPD PLM core data model Module 1: System Requirements Management Module 2: System Function Structure Management Module 3: Logical System Structure Management Module 4: Analysis Model Mapping Module 5: Discipline-specific Design Value Stream Mapping Module 6: Template models Concept for PLM integration of FPD Description of generic enterprise PLM solution architecture Positioning of the concept within a PLM solution Integration levels of MBSE data in PLM Collaboration with TDM in PLM Functionality for preparing an FPD model Functionality for updating the FPD model entities on PLM Presentation of the FPD model

12 x Content 7 Prototypical Realization and Evaluation Objective and scope of demonstrator SE-VPE modeling demonstrator PLM backbone and SE-VPE data model PLM Connector Authoring tool for the FPD model Team Data Management system for MBSE data FPD Modelica converter SE-VPE visualization Client Verification of the SE-VPE method and the PLM integration Use of SE-VPE demonstrator for modeling an FPD model of a hydrokeratome Evaluation Summary and Outlook Summary Outlook Appendix Bibliography

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