MODELLIERUNGSSPRACHEN, METHODEN UND WERKZEUGE FÜR DAS MODEL-BASED SYSTEMS ENGINEERING

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1 MODELLIERUNGSSPRACHEN, METHODEN UND WERKZEUGE FÜR DAS MODEL-BASED SYSTEMS ENGINEERING 27. Juni 2013, Mannheim M.Sc. Lydia Kaiser Folie 1

2 Der Standort Paderborn Fraunhofer-Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik Projektgruppe des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT Start im 1. März Mitarbeiter Heinz Nixdorf Institut Forschungszentrum der Universität Paderborn 1987 gegründet ca. 200 Mitarbeiter, 8 Professoren Folie 2 ID_003

3 Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik Das Fraunhofer IPT ist nach DIN EN ISO 9001:2000 zertifiziert. Leitung Prof. Dr.-Ing. habil. Ansgar Trächtler Prof. Dr.-Ing. Jürgen Gausemeier Prof. Dr. rer. nat. Wilhelm Schäfer Kompetenzfelder Produktentstehung Regelungstechnik Softwaretechnik Partner Fraunhofer IPT, Aachen Heinz Nixdorf Institut, Paderborn Folie 3 ID_004

4 AGENDA 1. Herausforderungen in der Produktentstehung 2. Systems Engineering als Lösungsansatz 3. Sprachen, Methoden und Werkzeuge des MBSE 4. Zusammenfassung und Handlungsbedarf Folie 4

5 Der Weg zu intelligenten technischen Systemen Handlungsbedarf: Systems Engineering Schwarmintelligenz Industrie 4.0 Selbstoptimierung Cyber-Physical Systems Folie 5

6 Mechatronikentwicklung nach VDI 2206 VDI-Richtlinie 2206 Folie 6

7 Probleme treten im rechten Ast auf: Hohe Abstimmungsaufwände Späte, kostenaufwändige Änderungen Nachträgliche Anforderungsänderungen Lange Entwicklungszeiten Die angestrebte Produktqualität wird nicht erreicht Folie 7

8 Ursachen liegen im linken Ast: Kein einheitliches Verständnis über das Gesamtsystem Komponentenorientiertes Denken Nur disziplinspezifische Modelle Unzureichendes methodisches Vorgehen Fehlende Transparenz und Nachverfolgbarkeit von Informationen Folie 8

10 Systems Engineering Bestandteile Systemdenken: Denkweise, die es ermöglicht, komplexe Erscheinungen (Systeme) besser verstehen und gestalten zu können. Systemdenken SE-Denkweise Vorgehensmodell Vorgehensmodell: Genereller Leitfaden, für die Um- oder Neugestaltung von Systemen. Problem/ Aufgabe Problemlösungsprozess Systemgestaltung Projektmanagement Lösung Techniken der Systemgestaltung Techniken des Projektmanagement Im Zentrum der SE-Methodik steht der Problemlösungsprozess, der zwei Bereiche aufweist: Die Systemgestaltung als eigentliche konstruktive Arbeit für das Finden der Lösung. Das Projektmanagement, d.h. die Frage der Organisation und Koordination des Problemlösungsprozesses. Quelle: DAENZER/HUBER Folie 10

11 Systems Engineering Grundbegriffe Ein System besteht aus Elementen, die Eigenschaften und Funktionen besitzen. Die Elemente sind untereinander durch Beziehungen verbunden und können ihrerseits wieder als Systeme betrachtet werden. Eine Klasse von Beziehungen sind die Flussbeziehungen der Konstruktionslehre: - Materialfluss - Informationsfluss - Energiefluss Die Systemgrenze ist eine willkürliche Abgrenzung zwischen dem System und seiner Umwelt/ seiner Umgebung. E11 Randelement E10 E8 Systemgrenze E1 E3 E2 Umwelt System E4 E5 E6 Systemelement Beziehung Umweltelement E9 E7 Folie 11

12 Model Based Systems Engineering (MBSE) Basis: Interdisziplinäre Systembetrachtung Kommunikation und Kooperation Verifikation Basis für die Konkretisierung Dokumentation Folie 12

13 Modellierung in der Produktentwicklung Model-Based (System) Engineering Formale multidisziplinäre Modellierung Multiphysik Simulation Zweck: Simulation zur Optimierung, Funktionstest, etc. Formale disziplinspezifische Modellierung 3D-CAD, Layout, Programmierung, o.ä. Zweck: Ausgestaltung/Konstruktion Folie 13

14 Modellierung in der Produktentwicklung Model-Based Systems Engineering Semiformale multidisziplinäre Modellierung Model-Based (System) Engineering Formale multidisziplinäre Modellierung Multiphysik Simulation Zweck: Simulation zur Optimierung, Funktionstest, etc. Formale disziplinspezifische Modellierung 3D-CAD, Layout, Programmierung, o.ä. Zweck: Ausgestaltung/Konstruktion Folie 14

16 Voraussetzungen für die Anwendung von MBSE Methode SYSMOD, FAS, OOSEM, CONSENS, METUS, SysML, CONSENS, PrEMISE, Sprache Werkzeug Enterprise Architect, Cameo, Artisan Studio, Mechatronic Modeller, CATIA V6 Systems, METUS, ParADISE, Folie 16

17 Modellierungssprache Graphische Notation reine Geschmackssache? Methode Sprache Werkzeug Vorteile graphischer Modelle: Effektivität und Effizienz in Bezug auf Bearbeitung, Wahrnehmung und Pflege der Modelle Übermittlung von Botschaften Gesendete Nachricht Empfangene Nachricht Codierung Decodierung Medium: Diagramm Folie 17

18 Modellierungssprachen Methode Sprache Werkzeug SysML System Modeling Language Basiert auf der Unified Modeling Language (UML) aus der Softwaretechnik OMG-Standardisiert Semi-formale Sprache Methodenunabhängig Spracherweiterung über Profile möglich Folie 18

19 SysML: Systems Modeling Language Diagrammtypen-Übersicht Methode Sprache Werkzeug Quelle: Friedenthal(2012) Folie 19

20 SysML: Systems Modeling Language Trennung von Modell und Sicht Methode Sprache Werkzeug Das Repository enthält das gesamte Modell bspw. in Form einer Datenbank, die Speicher für das Repository ist Neben diesem Repository gibt es Sichten auf das Modell, d.h. es werden Ausschnitte des Modells dargestellt. Eine Sicht ist eine Projektion von einigen Modellelementen aus dem Repository. Der Modellanwender nutzt die Sicht, um das Modell zu erstellen und damit zu arbeiten. Beim Löschen eines Elements aus der Sicht wird das Element im Repository nicht gelöscht! Durch diese Trennung kann man ein Modellelement mehrfach in verschiedenen Sichten darstellen. Quelle: Alt(2012) Folie 20

21 Diagrammübergreifende Abhängigkeiten Methode Sprache Werkzeug Quelle: Friedenthal(2012) Folie 21

22 Modellierungssprachen Methode Sprache Werkzeug SysML System Modeling Language Basiert auf der Unified Modeling Language (UML) aus der Softwaretechnik OMG-Standardisiert Semi-formale Sprache Methodenunabhängig Spracherweiterung über Profile möglich CONSENS CONceptual design Specification technique for the Engineering of complex Systems Am Heinz Nixdorf Institut entwickelt für selbstoptimierende Systeme Semi-formale Sprache Angepasst an die Methode zur Konzipierung mechatronischer Systeme Folie 22

23 Die Spezifikationstechnik CONSENS CONceptual design Specification technique for the Engineering of complex Systems Methode Sprache Werkzeug Elektrische Energie Tretkraftunterstützung Benutzerwunsch Programmwahl Ladezustand Akku Akku HMI Energie (Eingabe/ Ausgabe) Programmwahl Regen, Schnee, Steine Tretfrequenz Status Status_ Programm Benutzer Status Tretmoment Elektrische Energie Tretkraftunterstützung Benutzerwunsch Energiequelle Programmwahl Energiequelle Motorsteuerung Soll Moment Umwelt Temperatur Sensor A Sensor B Motor Benutzer Tretmoment mechanische Energie Tretfrequenz mechanische Energie mechanische Energie Tretmoment Fahrrad Tretfrequenz Untergrund mechanische Energie Fahrrad Die Beschreibung der Prinziplösung eines fortschrittlichen mechatronischen Systems umfasst sieben Aspekte. Diese stehen zueinander in Beziehung und ergeben ein konsistentes Ganzes. Die rechnerinterne Repräsentation der Aspekte erfolgt durch Partialmodelle. Daher besteht die Prinziplösung aus einem kohärenten System von Partialmodellen. Folie 23

24 Partialmodell Anforderungen Methode Sprache Werkzeug Partialmodell Funktionen Partialmodellübergreifende Beziehungen Partialmodell Wirkstruktur Partialmodelle Verhalten Zustände und Verhalten Aktivitäten Folie 24

25 Die Anwendung der Spezifikationstechnik im Überblick Methode Umfeld Anwendungsszenarien Anforderungen Sprache Werkzeug Transl. Beschleunigung dämpfen Beschleunigung dämpfen Rotat. Beschleu- nigung dämpfen Hohe Frequenzen absorbieren Funktionshierarchie Wirkstruktur E4 AUS E4 E1 Reine Verfahrwegregelung E1 E2 E1 Abstandsregelung (konstante Intervalle) Verhalten Gestalt E3 E2 E3 Kontinuierliche Abstandsregelung E4 Domänenspezifische Lastenhefte für die Konkretisierung Folie 25

26 Unterteilung der Modellierungswerkzeuge Methode Sprache Werkzeug Modellierungswerkzeuge Workshop-Karten Softwarewerkzeuge Dedizierte Werkzeuge Nicht dedizierte Werkzeuge Folie 26

27 Modellierungswerkzeuge Workshop-Karten Methode Sprache Werkzeug Systemelement Umfeldelement Funktion Quelle: Workshop mit :em AG, Darmstadt (2013) Folie 27

28 Modellierungswerkzeuge Microsoft Visio Methode Sprache Werkzeug Microsoft Office Produkt Weit verbreitet vielseitig einsetzbar Einfache Dokumentation der Modelle Aufwendige Pflege und Weiterverarbeitung Querbeziehungen über Hyperlinks Folie 28

29 Modellierungswerkzeuge Mechatronic Modeller Methode Sprache Werkzeug Entwickelt innerhalb eines BMBF- Verbundprojekts (VireS - Virtuelle Synchronisation von Produktentwicklung und Produktionssystementwicklung, ) Eclipse- Plattform Metamodell implementiert (auf Methode und Sprache CONSENS ausgerichtet) Pflege und Weiterverwendung des Modells wird unterstützt Prototypische Umsetzung keine Verbreitung Folie 29

30 Modellierungswerkzeuge Enterprise Architect Methode Sprache Werkzeug Enterprise Architect ist ein UML Analyse und Design-Werkzeug Weite Verbreitung in der Industrie Wichtige Funktionen: UML-Modellierung, Anforderungsmanagement, Code- Generierung Software und Systems Engineering mit SysML MDG (Toolbox) Die neueste Version SysML 1.3 wird vom Enterprise Architect V10 unterstützt Folie 30

31 Modellierungswerkzeuge CATIA V6 Systems Methode Sprache Werkzeug Plattform zur Modellierung und Simulation technischer Systeme RFLP Ansatz Requirements: Erfassung, Management und Verfolgung von Anforderungen Functional Design: Modellierung von Funktionsstrukturen Logical Design: Formale Modellierung zur Simulation des dynamischen Verhaltens (auf Basis von Modelica) Physical Design: CAD-Modellierung Quelle: :em AG Folie 31

32 Einsatzgebiete des s Produktmodularisierung Projektstrukturierung Zuverlässigkeitsanalysen Integriertes Herstellkosten Prozessgestaltung Robustheit Folie 32

34 Zusammenfassung und Handlungsbedarf Model-Based Systems Engineering stellt das in den Mittelpunkt der Entwicklung Transparenz durch Visualisierung Ganzheitliche Systembetrachtung durch Abstraktion Unterstützung der Kommunikation und Kooperation der Fachdisziplinen Zur Beschreibung des s sind je Modellierungszweck Sprache, Methode und Werkzeug auszuwählen und auf einander abzustimmen Unterstützung beim Erstellen und Pflegen des Modells durch Softwarewerkzeuge Flexible Gestaltung der Methoden und Sprachen Gezielte Unterstützung bei der Auswahl der geeigneten Sprache, Methode und Werkzeuge Rollenverteilung bei der Einführung von MBSE im Unternehmen Folie 34

35 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit M.Sc. Lydia Kaiser Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik Zukunftsmeile Paderborn Telefon: Fax: mechatronik@ipt.fraunhofer.de Folie 35 ID_033