Komplexe technische Systeme wie das autonome Fahren, die Elektrifizierung im Antriebsstrang von Autos oder die Vernetzung von Maschinen und Anlagen steigern die Komplexität von Produktentwicklungsprozessen in einer bisher nicht da gewesenen Weise. Gleichzeitig verändern sich die rechtlichen Rahmenbedingungen. Umfassende Nachweispflichten zur Durchgängigkeit von Entwicklungsprozessen sowie die Rückverfolgbarkeit des kompletten Produktentstehungsprozesses (Traceability) werden zunehmend von Kunden und Behörden im Rahmen der Produkthaftung eingefordert. Nur ein ganzheitlicher Ansatz bei der Entwicklung von Produkten schafft die notwendige Transparenz für alle beteiligten Gruppen. Systems Engineering spannt im Sinne des Product-Lifecycle-Managements (PLM) den Bogen von der Anforderungsermittlung über die technische Implementierung und das fertige Produkt bis hin zum Recycling. Die vielen Disziplinen wie Mechanik, Elektrik/Elektronik und Software in neuen Produkten verlangen von den Unternehmen, dass sie Systems Engineering vollständig beherrschen, um sich klare Wettbewerbsvorteile zu verschaffen. Eine konkurrenzfähige Entwicklung mechatronischer Produkte ist ohne die Einführung einer durchgängigen Systems-Engineering-Methode nicht realisierbar.

Bei der Entwicklung von Autos müssen verschiedene Ingenieursdisziplinen beim Enginnering zusammenarbeiten.

© Dassault Systèmes

Der Einsatz von Systems Engineering bringt den Kunden erhebliche Vorteile: 

• Reduzierung der Kosten für reale Versuchsträger durch frühzeitige modell-basierte Absicherung für Hardware & Software.
• Frühzeitiges, interdisziplinäres Qualitätsmanagement durch die Vernetzung beziehungsweise Integration von Teilmodellen aus den unterschiedlichen Ingenieursdisziplinen zu einem Gesamtsystem.
• Reduktion beziehungsweise verbesserte Handhabbarkeit der Komplexität während der Entwicklung durch systematisches Vorgehen „Vom Groben ins Detail“.
• Vereinfachung von Kooperationen (Kunde-Lieferant, Joint Venture) und damit eine maßgebliche Effizienzverbesserung durch den Austausch von ausführbaren Modellen.
• Verbesserte Risikoabschätzung und gesteigerte Produktqualität bei gleichzeitiger Reduzierung der Time-to-Market.
• Höhere Produktreife schon bei der ersten Generation; der Endanwender bekommt viel früher ein weniger störanfälliges Produkt.
• Weniger Beschwerden oder Rückrufaktionen und dadurch eine Steigerung der Markenreputation.

MBSE verbessert Produktentwicklung

Eine Methode des Systems Engineering ist das Model Based Systems Engineering (MBSE). Die heute noch überwiegend dokumentenzentrierte Systementwicklung mittels Lastenheft, das Tausende von Anforderungen beinhaltet, hin zu einem datenbankgestützten Requirements-Engineering-Werkzeug lässt sich durch die modellbasierte Entwicklungsmethodik MBSE erheblich verbessern. Sie beschreibt alle Anforderungen und Spezifikationen für das spätere Produkt und koordiniert dessen gesamten Lebenszyklus, einschließlich der Qualitätstests und der Anforderungen an das spätere Recycling. 

Modellbasiert bedeutet auch, dass es nur noch eine digitale Repräsentanz des Projektes gibt, an der alle Beteiligten in einem global verteilten Entwicklungsprozess arbeiten. Dadurch entsteht automatisch die notwendige Kollaboration und Vernetzung zwischen den interdisziplinären Teams innerhalb des digitalisierten Produktentstehungsprozesses. Jede einzelne Änderung ist auf der Arbeitsplattform sofort für alle sichtbar. Es steht immer nur eine aktuelle Version zur Verfügung (Single Source of Truth). So lassen sich Fehler vermeiden sowie Zeit und Kosten sparen. MBSE bildet das jeweilige System einschließlich seiner Sub-Systeme komplett ab und erlaubt zudem dessen Bewertung. Die Entwickler leiten aus den Kundenanforderungen die notwendigen Prozesse und Werkzeuge ab und beschreiben diese mittels verschiedener Modelle nachvollziehbar. Ein kritischer Erfolgsfaktor liegt in der Durchgängigkeit der Daten oder der Wiederholbarkeit der Prozesse. Dabei bindet MBSE die jeweils vorhandenen Modelle des Systems über geeignete Schnittstellen ein. Um das Systemmodell zu erstellen, gibt es unterschiedliche Sprachen wie zum Beispiel SysML, Methoden und IT-Werkzeuge. Sie lassen sich auch verschieden miteinander kombinieren. Allerdings fehlen hier noch vereinheitlichte Methoden und Standardschnittstellen. 

Die große Herausforderung für Unternehmen besteht deshalb darin, ihre PLM- oder MBSE-Konzepte in der Zukunft miteinander zu verbinden. Die Einführung eines integrierten Systems wie der 3DExperience Plattform von Dassault Systèmes ist ein vielversprechender Lösungsansatz, da hier alle Autorensysteme in einer zentralen Datenbank miteinander verknüpft werden. 

Ganzheitliche Systemunterstützung mit MMS

Um komplexe Produkte multidisziplinär zu entwickeln, kommt es darauf an, die Vielzahl der Kundenanforderungen, Systemfunktionen und Wirkprinzipien aus unterschiedlichen Disziplinen in einem gemeinsamen Produktmodell zu beschreiben und integriert zu behandeln. Für eine ganzheitliche Betrachtung und durchgängige Systemunterstützung sind hier föderative oder integrierte Entwicklungsumgebungen erforderlich, die bisherige IT-Systeme nur bedingt erfüllen. Die passende Lösung ist nun über den Methodenbaukasten ‚Modeling Methodology for Systems‘ (MMS) gefunden. Mit Hilfe des MMS lassen sich die vielfältigen Systemaspekte unterschiedlicher Modell-Ausprägungen (statisch, dynamisch etc.) und Modell-Ebenen darstellen. Sie erfassen die Analyse des Systems von außen (Mission, Service) sowie das detaillierte Systemdesign (Funktionen, Komponenten). Da die Entwickler die Verhaltensweisen simulieren können, lässt sich bereits zu einem frühen Zeitpunkt eine Validierung der gewählten Modelle und ihrer Leistungsfähigkeit durchführen. 

Als Backbone steht dem MMS die RFLP-Datenstruktur zur Verfügung. RFLP steht für

• Requirement – Anforderungsmodell
• Functional – Funktionsmodell
• Logical – Logisches Modell beziehungsweise Funktionsträgermodell
• Physical – Physikalisches Modell entspricht ‚3D-Modell‘

Sie wurde erstmals in der konventionell verfügbaren PLM-Umgebung CATIA V6 von Dassault Systèmes implementiert. Dabei handelt es sich um eine vernetzte 3D-Lösung für die Zusammenarbeit zwischen Konstrukteuren und Nicht-CAD-Spezialisten und ist daher ideal für das Systems Engineering geeignet. Die RFLP-Datenstruktur ist ebenso in der aktuellen 3DExperience Plattform integriert und bildet den zentralen Backbone innerhalb der Produktentwicklung auf Basis von Systems Engineering. Die Datenstruktur kann unternehmens- und entwicklungsspezifisch angepasst werden und erlaubt so beispielsweise die Integration weiterer Knoten in die Datenstruktur (etwa Operational, System oder Component). 

Durchgängige Lösungen

Bisherige IT-Systeme konnten die Methoden des Systems Engineering nicht umsetzen, da ein integriertes Datenmodell über die Produktentwicklungsphasen und Disziplinen fehlte. Dies ist durch die Einführung der 3DExperience Plattform nun gelöst. 

Sie erlaubt durchgängige Lösungen im Rahmen des Systems Engineering sowie bei der Erzeugung und Handhabung der Objekte, die während der Produktentwicklung entstehen. Sämtliche Modellierungsergebnisse, Produktinformationen und Simulationsdaten können in der integrierten zentralen Datenbank objektorientiert und strukturiert abgelegt werden. Dabei erlaubt die datenbankbasierte Plattform die gewünschte durchgängige Nutzung für alle Disziplinen und Nutzer ohne Schnittstellen- und Medienbrüche. 

Die Anwender sind in der Lage, die einzelnen Phasen der Produktentwicklung zu durchlaufen und wichtige Erkenntnisse über den Entwurfsprozess zu erhalten. Sie erkennen auf einen Blick die Zusammenhänge zwischen den gestellten Anforderungen und welches logische Verhalten des Systems sich daraus ergibt. Außerdem können sie die Einflüsse auf die 3D-Geometrie erkennen. Der Hauptvorteil des modellbasierten Systems Engineering in der 3DExperience Plattform besteht in der Integration aller relevanten Modelle in ein übergeordnetes Systemmodell, aus dem die jeweils benötigten Sichtweisen auf das System abgeleitet werden können. Änderungen an einem Teilsystem oder einer Komponente wirken sich immer auf die umliegenden Bereiche und Bauteile aus, und diese Auswirkungen sind durch das Gesamtsystemmodell jederzeit sofort sichtbar. Systemanalysen und -validierungen können nun ganzheitlich durchgeführt werden und erlauben durch die vollständige Integration der Disziplinen domänenübergreifende Simulationen.

Autor:
Klaus Löckel ist Managing Director bei Dassault Systèmes.

Wertschöpfungskette digital abbilden

Voraussetzung für erfolgreiches Systems Engineering ist, dass alle Daten, Standards und Softwaretools in einem Unternehmen nahtlos in einer Plattform zusammenlaufen. Idealerweise lassen sich auch Zulieferer und andere am Produktentstehungsprozess Beteiligte integrieren, um Schnittstellen- und Medienbrüche zu vermeiden. Die 3Dexperience-Plattform von Dassault Systèmes beschränkt sich nicht auf einzelne Prozessschritte, sondern bildet die gesamte Wertschöpfungskette durchgängig digital ab – von der ersten Idee über das Engineering und die Fertigung bis hin zu Vertrieb und Service. Hier können Ingenieure aus allen Branchen in Echtzeit ihre Produkte und Systeme in einem die Realität abbildenden Umfeld entwickeln und verschiedene Szenarien prüfen. 

Die Plattform verwendet ein rollenbasiertes System, bei dem es zu jedem Aufgabentypus jeweils eine zugehörige Rolle gibt, die mit entsprechenden Applikationslösungen (Apps) in der Plattform einhergehen und somit jeden Schritt im Produktentstehungsprozess digital abbilden. Dies ermöglicht eine effiziente Zusammenarbeit aller Disziplinen und koordiniert als Business-Plattform die gemeinsame Produktentwicklung von der Konzeptphase bis zur Produkteinführung über verschiedene Apps.

Soziale und vernetzte Apps – wie etwa Enovia oder 3Dexcite – ermöglichen den Aufbau von vernetzten Communities, in denen Inhalte zu Problemstellungen ausgetauscht und diskutiert werden können und Apps wie Exaled oder Netvibes vereinfachen Darstellungen und Dashboarding. Über die Anwendungen Catia, Solidworks, Geovia und Biovia ist die 3D-Modellierung auf der Plattform genauso integriert wie die Apps zu Content und Simulation (Simulia, Delmia, 3Dvia) an den Schnittstellen von virtueller Welt und Realität. 

Die Webservice-Infrastruktur der 3Dexperience-Plattform ist mit zahlreichen Schnittstellenstandards kompatibel. Dabei schafft die kundenspezifische Anpassung und Integration der Kundendaten in einer einzigen Arbeitsumgebung eine hohe Transparenz und beschleunigt den kompletten Produktentwicklungsprozess.