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METHODEN FORSCHUNG risch ne m Deduktion Deduktion Deduktion Meta n - Referenz- Deduktion Produktmodelle Produktmodelle Deduktion Produktmodelle Deduktion Reale Produkte Meta n - Referenz- Induktion Induktion Induktion Produktmodelle Produktmodelle Produktmodelle Reale Produkte generische Induktion Induktion Gesamtheit Induktion Gesamtheit Generisch Sprache Referenzaller Modelle der Produkte Modelle generische 1 2 Gesamtheit Gesamtheit Sprache Referenzaller Modelle der Produkte Modelle 4 1 3 Domänenbezogene 5 bezogene bezogene Domänen- Domänen- Domänenbezogene Domäne 2 Referenz- Gesamtheit der Gesamtheit Sprache 4 Modelle Produktmodelle der Produkte 3 6 Domänen- Domänenbezogene 7 bezogene Domänen- Domänenbezogenbezogene 5 Referenz- Gesamtheit der Gesamtheit Sprache System-Modellspezifische Produkt- Referenz-Produktmodelle der Produkte Produktmodelle Produkte Reale System 6 Sprache modelle Deduktion Induktion Deduktion Induktion Bild: IPEK Induktion Induktion Punkt Systemspezifische Sprache Instanziierung (formale Spezifikation) Produktmodelle Referenz- Produktmodelle 7 Reale Produkte Individualisierung (inhaltsbezogene Spezifikation) Individualisierung (inhaltsbezogene Spezifikation) Abbildung 1: Abstraktionsgrade der Systemmodellierung [Al14] mit Verweisen (blaue Punkte siehe Nummern im Text) 3 Punkt1 10.12.2013 Model-Based Systems Engineering (MBSE) in der Karlsruher Schule Instanziierung (formale Spezifikation) Institut für Produktentwicklung Fünf Jahre Forschung für die Anwendung am Karlsruher Institut für Technologie Institut für Produktentwicklung am Karlsruher Institut für Technologie Das International Council of Systems Engineering (INCOSE) versteht die modellbasierte Systementwicklung (MBSE, engl. Model-Based Systems Engineering) als die Nutzung von durchgängigen Modellen im Rahmen der Aktivitäten der Systementwicklung (SE, engl. Systems Engineering) [In00]. Im Gegensatz zu dokumentenbasiertem Vorgehen werden computerinterpretierbare Modelle verwendet. Obwohl der Mehrwert von MBSE gegenüber klassischen Vorgehensweisen wahrgenommen wird [BC10], gibt es noch erhebliches Potenzial zur Verbesserung der Anwendbarkeit, des Nutzens und der Erlernbarkeit [ALR12][AZ13] sowie bei der Integration in die Prozesse und Werkzeuge der Produktentwicklung [ZI12]. Im Folgenden wird ein Überblick über die Forschungstätigkeiten bezüglich des MBSE im Rahmen der Karlsruher Schule gegeben, welche die Forschungsergebnisse des IPEK zusammenfasst. Untersuchungen zeigen, dass in den meisten Fällen Produkte als Produktgenerationen entwickelt werden. Darunter wird die Entwicklung einer neuen Generation technischer Produkte verstanden, die sowohl durch die Anpassung von Teilsystemen als Übernahmevariation als auch durch eine signifikante Neuentwicklung von Teilsystemen (als Prinzip- bzw. Gestaltvariation) charakterisiert ist. Neue Produktgenerationen basieren immer auf Referenzprodukten, welche die grundsätzliche Struktur beschreiben [ABW15]. Aus der Perspektive der Produktgenerationsentwicklung ergibt sich die Möglichkeit, die Systemmodellierung effizienter zu gestalten, indem nicht auf einem „weißen Blatt“ modelliert wird, sondern auf Modelle vergangener Produktgenerationen zurückgegriffen wird [Al14]. Albers et al. haben ein Framework vorgestellt (Abb. 1), in das verschiedene Modelle bzw. Forschungsarbeiten (vgl. blaue Verweise zu den folgenden Unterpunkten) eingeordnet werden können [Al14]. Im Folgenden werden einzelne Forschungsarbeiten der Karlsruher Schule vorgestellt und durch das Einordnen in das Framework in einen Kontext gebracht. Dazu wird aufgezeigt, wie durch Deduktion die Sprache für die Anwendung nutzbar gemacht werden kann und durch Induktion Erkenntnisse für die Weiterentwicklung von Sprachen, Tools und Methoden gewonnen werden können. Anschließend wird auf die Übertragung dieser Erkenntnisse in die Lehre eingegangen. 1 Neue Ansätze zur interdisziplinären Systemmodellierung – SystemSketcher Basierend auf Umfragen zum Stand des MBSE in der Anwendung [BC10][ALR12][AZ13] sowie durch eigene Erfahrungen bei der Modellierung von Batteriesystemen für Elektrofahrzeuge [Mu14] und eingebetteten Car-to-X-Systemen [Al13] lässt sich ein Forschungsbedarf an Ansätzen zur interdisziplinären Systemmodellierung mit Fokus auf die Anwendbarkeit erkennen. Ein Schlüssel scheint hierbei die Weiterentwicklung der generischen Meta-Systemmodelle 38 develop 3 systems engineering 01 2016
FORSCHUNG METHODEN als Sprache und die ganzheitliche, integrative Betrachtung der anderen beiden Säulen (Methode und Tool) zu sein. Basierend auf einer detaillierten Analyse bestehender MBSE-Ansätze unter differenzierter Betrachtung der drei Säulen und unter Einbeziehung gemachter Erfahrungen bei der Modellierung interdisziplinärer Systeme, wird in einem empirischen Prozess am IPEK ein neuer MBSE-Ansatz abgeleitet. Dieser schlanke Ansatz wird SystemSketcher genannt und dessen Entwicklung laufend unter www.systemsketcher.com publiziert. SystemSketcher befindet sich aktuell im Prototypenstatus. [MA15] 2 Modellierung von Zielsystemen Um sämtliche Aktivitäten rund um das Requirements Engineering in der interdisziplinären Produktentstehung zu unterstützen, wurde am IPEK eine Methode zur Modellierung von Zielsystemen entwickelt und in der Praxis erprobt [Eb15]. Die Methode stellt dem Anwender ein konsistentes Set an Partialmodellen, Elementen und Relationen zur Verfügung, mit dem Ziel, Anforderungen und Randbedingungen einschließlich ihrer Wechselwirkungen und Hintergrundinformationen zu modellieren. So können Wissens- und Definitionslücken zu Entwicklungszielen erkannt und geschlossen werden. Außerdem kommen mithilfe der Relationen wichtige Beziehungen zwischen den Zielsystem-Elementen zum Vorschein, wodurch die Nachvollziehbarkeit und Durchgängigkeit des Zielsystems steigt. Die Methode wurde gezielt schlank und anwenderfreundlich gehalten, um eine hohe Akzeptanz zu erzielen und um den Modellierungsaufwand in Grenzen zu halten [Eb15]. Bei der Entwicklung von mechatronischen Produkten in Forschungs- und Industrieprojekten konnte die Praxistauglichkeit und der Mehrwert des MBSE-Ansatzes zur Modellierung von Zielsystemen gezeigt werden. Gegenstand derzeitiger Forschung des IPEK ist die Anwendung der Methode auf die Zielsystemmodellierung von Baukästen, wobei insbesondere die Spreizung von Anforderungen an Baukästen sowie stärker vernetzte Entwicklungsprozesse [Al15b] für zusätzliche Herausforderungen sorgen. Zudem wird an MBSE-Ansätzen geforscht, die methodische Unterstützung im Entwicklungsumfeld von Systems of Systems bieten [AKM14]. 3 Kopplung von CAD und SysML – modellbasierte Funktions-Gestalt-Synthese Im Maschinenbau sind CAD-Modelle (als domänenspezifische Modelle) der Stand der Technik zur Modellierung der Systemgestalt. Zur Kopplung dieser CAD-Modelle mit generischeren, interdisziplinären Modellen gibt es erste Ansätze auf Toolebene: Beispielhaft sei hier Catia V6 [KK13] als integrativer Ansatz und das Koppeln mittels ModelCenter [Wo07] als föderativer Ansatz genannt. Bezüglich der Kopplung auf Toolebene ist nach Ansicht der Autoren eine intensivere Betrachtung der Methodik und der Nutzerzentrierung notwendig, um eine modellbasierte Funktions-Gestalt-Synthese (FGS) [MAK15] [MA15] zielgerichtet und effektiv durchführen zu können. Im Rahmen des Forschungsprojektes „Functional Architectures of Systems for Mechanical Engineers“ (FAS4M, vgl. [FAS15], Projektpartner: IPEK, HSU, oose, :em; assoziierter Partner: GfSE) wird die Fragestellung bearbeitet, wie die FGS modellbasiert und menschzentriert im Sinne des Advanced Systems Engineering [AL12][AZB12] durchgeführt werden kann. Der erforschte Ansatz (siehe [Gr14] [MAK15][Mo15]) basiert auf Funktionsmodellen nach Stand der Forschung in SysML (vgl. FAS Methode [LW14]) und verbindet diese, methodisch begleitet, föderativ mit CAD-Modellen: Ausgehend von modellierten Funktionen und damit vernetzten Anforderungen, Zielen, Randbedingungen beziehungsweise Anwendungsfällen wird eine Traceabilitykette zur Gestalt im CAD während der Entwicklung hergestellt. Hierbei wird zunächst nach prinzipiellen Lösungen gesucht und die ausgewählten Ideen werden als Konzeptelemente ausgearbeitet und letztendlich in Komponenten (Baugruppen und -teile) überführt. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf dem Arbeiten mit freien Skizzen, wie es in der FGS üblich ist [Ha02] und die Kreativität der Entwickler unterstützt [DG96][Pa05][Fe93][Ha02]. Im neuen Ansatz werden die grafischen, nichtformalen Inhalte der freien Skizzen durch formal beschriebene Skizzenbereiche mit den anderen Modellinhalten verlinkt [Gr14][MAK15][Mo15]. Eine integrierte Betrachtung der Aspekte zu Sprache, Tool und Methode verspricht hierbei eine hohe Anwendbarkeit der Forschungsergebnisse. In kommenden Studien wird dies bei der FGS nach dem FAS4M-Ansatz validiert: Hierzu werden Entwicklungstätigkeiten in der industriellen Praxis, die den FAS4M-Ansatz einsetzen, begleitet und untersucht. 4 Erweiterte Anwendungsfallmodellierung Bei der Entwicklung von komplexen technischen Systemen gibt es viele Ziele, Randbedingungen und Anforderungen [Eb15]. Ein Großteil dieser Zielsystemelemente entsteht aus der beabsichtigten Anwendung, der Benutzung des Systems und den Wechselwirkungen zwischen Bediener, System und Umgebung. Häufig wird dabei von Anwendungsfällen (engl. use cases) gesprochen. Meist werden sie abteilungsübergreifend und interdisziplinär genutzt, beispielsweise vom Marketing analysiert, definiert und von der Entwicklung für eine kunden- und anwendungsorientierte Entwicklung genutzt. Weiterhin bilden sie für die Versuchsplanung die Grundlage einer zielgerichteten Validierung. Die am IPEK entwickelte erweiterte Anwendungsfallbeschreibung [MSH15] liefert eine durchgängige Vorgehensweise, die es ermöglicht, Anwendungsfälle methodisch und messtechnisch unterstützt zu identifizieren und auf unterschiedlichen Detaillierungsebenen zu beschreiben. Sie ist Teil der entwickelten SysKIT-Methode [MSS15], mit welcher es möglich ist, die Entwicklung neuer Produkte zielgerichtet und kundenorientiert zu unterstützen und den Aufwand bei der Produktgenerationsentwicklung durch Synergiepotentiale zu reduzieren. Mit der SysKIT-Methode, erweitert durch die Anwendungsfallbeschreibung, ist eine ganzheitliche Systemmodellierung möglich. Die vorgeschlagene Modellierung definiert dazu Stereotypen der SysML zur Unterstützung der Validierung nach dem XiL-Ansatz [Al15a][AD10] und von Marketing- Methoden. develop 3 systems engineering 01 2016 39
