Software

Gemeinsame Sprache für die Systemmodellierung

Manche Autos gleichen Softwareprogrammen auf Rädern. Aber auch in anderen Produkten sind Elektronik und Software heute maßgeblich für die Innovation. Das Zusammenspiel der unterschiedlichen Disziplinen macht die Produktentwicklung nicht einfacher. Ein Ansatz zur Reduzierung der Komplexität ist die Nutzung einheitlicher Methoden für die Modellierung des Gesamtsystems. Was die Systems Modeling Language SysML dabei leisten kann, beschreibt der vorliegende Fachbeitrag als Teil 1 unserer neuen Serie zum Thema Systems Engineering.
Mit der Systems Modeling Language SysML lässt sich die logische Struktur eines CAD-Modells – hier eine in Catia V5 modellierte Fahrzeugtür – einschließlich der parametrischen Beziehungen zwischen den einzelnen Elementen abbilden und als Produktstruktur an das CAD-System übergeben. (Bilder: Abulawi)

Michael Wendenburg, Fachjournalist, Sevilla


Vereinfacht ausgedrückt wird die Komplexität eines Produkts und damit letztlich auch der Produktentwicklung durch die Vielfalt der zu entwickelnden Elemente, die Anzahl und Varianz der zwischen ihnen bestehenden Beziehungen sowie den Umfang und die Häufigkeit der auftretenden Änderungen bestimmt. Dass die Komplexität durch die immer stärkere Integration von Mechanik, Elektronik und Software dramatisch zunimmt, dürfte außer Frage stehen. Allein schon deshalb, weil sich die Software in der Praxis hundertmal häufiger ändert als ein mechanisches Bauteil.

Die große Herausforderung für Unternehmen und ihre Produktentwickler besteht darin, die Komplexität beherrschbar zu machen. Bis zu einem gewissen Grade lässt sie sich zwar durch Standardisierung und Modularisierung reduzieren, aber ein Großteil der Komplexität wird einfach durch den Funktionsumfang unserer heutigen Produkte bestimmt. Ein Mobiltelefon, mit dem man nur telefonieren kann, ist wesentlich einfacher zu entwickeln als ein Smartphone mit Kamera, MP3-Player, Radio, Internet-Zugang und was es da sonst noch alles an Funktionen gibt. Aber ersteres will der Kunde nicht mehr haben.

Anzeige

Komplexität beherrschbar machen

‚Managing Complexity‘ ist das Leitmotiv vieler Veranstaltungen und Vorträge zum Thema Produktentwicklung. Ein vielbeachteter Ansatz (genau genommen sind es mehrere) ist das Model Based Systems Engineering (MBSE), das technische Lösungen für eine systemorientierte Produktentwicklung mit Methoden des Projekt-Managements verknüpft. Klingt zunächst mal kompliziert, beinahe so, als würde man versuchen, den Teufel mit dem Beelzebub auszutreiben. Ist es aber nicht, meint Jutta Abulawi, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Fakultät Technik und Informatik der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg. Sie beschäftigt sich mit der Frage, wie man den Ansatz des MBSE für die Mechanik-Entwicklung nutzbar machen kann.

Beim Systems Engineering wird das Produkt als Gesamtsystem gewissermaßen aus der Vogelperspektive betrachtet. „Man konzentriert sich auf das Wesentliche und achtet nicht auf die Details, was die Komplexität erheblich reduziert“, sagt Abulawi und gibt ein schönes Beispiel: „Wenn Sie Deutschland aus der Luft anschauen, sehen Sie erst mal nur die großen Metropolen und Hauptverkehrsadern, können sich aber dadurch ein viel besseres Bild vom Aufbau des Landes machen, als wenn Sie auf der Erde herumlaufen. Dann gehen Sie tiefer runter und sehen sich eine der Metropolen aus der Nähe an, behalten dabei aber die Verbindungen nach außen immer im Blick.“
Verbindungen ist ein wichtiges Stichwort, denn darum geht es beim Systems Engineering: Fachdisziplinen miteinander zu verbinden, die unterschiedliche Systeme einsetzen, ihre Arbeit nach unterschiedlichen Prozessen organisieren und nicht dieselbe Sprache sprechen, zumindest nicht dasselbe Fachchinesisch. In der Praxis führt das oft dazu, dass sie sich abschotten und nur das im Blick haben, was für ihr System beziehungsweise ihre Aufgabenstellung wichtig ist – ohne die Wechselwirkung mit Nachbarsystemen zu berücksichtigen. Das erschwert multidisziplinäre Optimierungsaufgaben, bei denen es darum geht, die Funktionsweise des Gesamtsystems unter Inkaufnahme von suboptimalen Ergebnissen einzelner Systembestandteile zu optimieren.

Keine Software, sondern eine Methodik

Fachspezifische IT-Systeme (wie etwa CAD- oder Softwareentwicklungs-Tools) sind in der frühen Phase der Produktenwicklung (das heißt links oben im berühmten V-Modell), in der es um die Definition des Gesamtsystems geht, nicht geeignet. Mit denen können ja immer nur die Anwender der eigenen Domäne gut umgehen. Die unterschiedlichen Disziplinen brauchen deshalb ein gemeinsames Werkzeug, um ihre Anforderungen an dieses Gesamtsystem in einer neutralen Form zu beschreiben, die auch für alle anderen Anwender und Disziplinen leicht nachvollziehbar ist. „Das zu leisten hat sich die Systemmodellierungssprache SysML auf die Fahnen geschrieben“, sagt Abulawi.

Wenn in diesem Zusammenhang von Modellierung die Rede ist, dann nicht von der 3D-Modellerstellung, wie sie die Konstrukteure aus ihrer CAD-Anwendung kennen. Es geht vielmehr darum, die Realität in einer vereinfachten, aber visuellen Form zu beschreiben, um sie besser verständlich zu machen. Das kann zum Beispiel ein Fluss- oder ein Blockdiagramm sein, das die Wechselwirkung von bestimmten Funktionen oder den Zusammenhang zwischen Funktionen und Produktstruktur beschreibt. Doch dazu später mehr.

Erst einmal gilt es, die Frage zu beantworten, was man sich unter SysML vorzustellen hat. SysML ist kein Software-Werkzeug, sondern eine grafisch notierte Sprache für die Systemmodellierung, die jedem Unternehmen kostenlos zur Verfügung steht. Sprachspezifikation, Informationen und Tutorials stehen auf www.sysml.org zum Download bereit. Mit der Sprache SysML kann man das Verhalten und den Aufbau eines Systems sowie dessen Beziehung zur Umgebung in leicht verständlichen Diagrammen beschreiben. Hierzu kann man ein Modellierungsprogramm nutzen, beispielsweise das Eclipse-basierte Open-Source-Programm TopCased (siehe www.topcased.org), aber man muss es nicht tun: „Es gibt in Hamburg ein großes Beratungshaus, das in den Projekten teilweise noch mit Stift und Whiteboard arbeitet“, sagt Abulawi. Sie selbst erstellt ihre Diagramme normalerweise mit dem Grafikprogramm MS Visio und einer kostenlosen Bibliothek von intelligenten SysML-Schablonen und Diagramm-Elementen.

Systembeschreibung in Diagrammform

SysML ist ein relativ junges Pflänzchen – die erste Spezifikation wurde 2005 vorgestellt – allerdings mit älteren Wurzeln. Die Sprache nutzt wesentliche Bestandteile der Unified Modeling Language (UML) 2.1, die eher im Bereich der Software-Entwicklung zu Hause ist, und ergänzt sie um zusätzliche Diagrammarten und Modellelemente, um sie für die Definition der mechanischen Systemkomponenten nutzbar zu machen. Ziel der von Object Management Group (OMG) und International Council of Systems Engineering (Incose) getragenen SysML-Initiative ist es, den verschiedenen Fachdisziplinen in einer einheitlichen Umgebung alle Werkzeuge zur Verfügung zu stellen, die sie für Spezifikation, Analyse, Design, Verifikation und Validierung eines technischen Systems benötigen.

Das System wird mit SysML in Form von Diagrammen vollständig beschrieben. Oder zumindest so vollständig, wie es die Anwender für erforderlich halten. Es gibt dazu im Wesentlichen drei beziehungsweise vier Diagramm-Klassen, nämlich Diagramme für die Beschreibung der Anforderungen, des Systemverhaltens, des strukturellen Aufbaus und – als Unterklasse dazu – der mathematischen Abhängigkeiten (Constraints). Einige dieser Diagramme, etwa das Use Case Diagram zur Verhaltensbeschreibung, wurden eins zu eins aus der UML übernommen; andere wurden komplett neu spezifiziert, darunter auch das Parametric Diagram.

Wenn man so will stellen die Diagramme unterschiedliche Sichten auf das Gesamtsystem dar, die über die verwendeten Objekte beziehungsweise die zwischen ihnen definierten Verbindungen miteinander verknüpft werden. Die Verbindungen sind keine dummen Linien, sondern intelligente Objekte, die ihren Anfangs- oder Endpunkt kennen. Dadurch lassen sich Wechselwirkungen gerade bei Änderungen viel einfacher transparent machen. Die Änderungen spiegeln sich zwar nicht automatisch in allen anderen Diagrammen wider, aber die Benutzer werden zum Beispiel gewarnt, wenn sie ein Objekt löschen, das auch in anderen Diagrammen verwendet wird. Voraussetzung ist natürlich, dass man SysML zusammen mit einer Datenbank nutzt. Wer sein System damit am Dashboard modelliert, kann nicht erwarten, dass die Tafel bei Änderungen automatisch quietscht. Der Nutzen beschränkt sich hier im Wesentlichen auf die übersichtliche Darstellung des Beziehungsgeflechts.

Integrationsmodell für alle Disziplinen

Wie die Anwender mit SysML an die Systemmodellierung herangehen, bleibt ihnen selbst überlassen beziehungsweise hängt von der Methodik ab, die sie anwenden. Software-Entwickler fangen meist mit der Modellierung von Use Cases an, aus denen sie dann die Anforderungen ableiten, während die Mechanik-Entwickler oft von der groben Strukturierung des Systems mit Hilfe von Package- oder Blockdiagrammen ausgehend die einzelnen Blöcke spezifizieren, indem sie ihnen etwa eine bestimmte Funktion zuweisen. „So wird Schritt für Schritt aus der Black Box erst ein graues und dann ein weißes Kästchen“, sagt Abulawi.

Entscheidend ist, dass nicht alle Fachdisziplinen alle Diagramme nutzen (müssen). Software- und Elektronik-Entwickler werden sich wahrscheinlich in einem Sequenz-Diagramm, mit dem der Signalaustausch zwischen zwei Akteuren modelliert wird, einfacher zurecht finden als ein Mechanik-Entwickler, der seine Sicht auf das System normalerweise in hierarchischen Strukturen beschreibt. Das Use Case Diagram, mit dem die Akteure und ihre Ansprüche an das System beschrieben werden, ist hingegen das ideale Werkzeug für ein interdisziplinäres Brainstorming. Mindestens ebenso interessant wie die Modellierung aller denkbaren Anwendungsfälle ist aus Sicht der Mechaniker die Beschreibung dessen, was bei Fehlbedienungen alles passieren kann beziehungsweise nicht passieren sollte.

Die Verhaltens- und Strukturmodelle können mit den spezifizierten Anforderungen in Beziehung gesetzt werden, um zu prüfen, ob alle Anforderungen erfüllt sind. Wobei das Requirements Diagram für die Praxis der Mechanik-Entwicklung nur eingeschränkt nutzbar ist, weil bei einem komplexen Produkt wie einem Kraftfahrzeug einfach zu viele Anforderungen erfasst werden müssten – Anforderungen, die zudem häufig gesetzlich vorgegeben sind und sich von einer Produktgeneration zur nächsten nicht grundlegend ändern. Für die Software-Entwickler ist es hingegen ein wichtiges Werkzeug, weil die Anforderungen hier oft sehr individuell sind und sich manchmal nicht so präzise fassen lassen, wie Abulawi sagt.

Logik eines CAD-Modells in SysML

Die mit SysML modellierte und verifizierte Systemarchitektur dient gewissermaßen als Integrationsmodell für die Modelle beziehungsweise Repräsentationen der verschiedenen Fachdisziplinen, die davon im weiteren Verlauf der Entwicklung abgeleitet werden. Und damit kommt man zum spannenden Teil der Geschichte, nämlich der Frage, wie denn eigentlich ein relativ einfaches Blockdiagramm mit einem komplexen CAD-Modell in Beziehung gesetzt werden kann? Das Geheimnis ist die Möglichkeit, mit SysML die logische Struktur eines CAD-Modells einschließlich der parametrischen Beziehungen zwischen den einzelnen Elementen abzubilden – natürlich ohne die Geometrie – und diese als Produktstruktur an das CAD-System zu übergeben.

Die Systemkonfiguration aus SysML dient im CAD-System als eine Art Skelett für die Erzeugung der einzelnen 3D-Modelle, die mit der Struktur verknüpft werden. Ändert der Konstrukteur aus irgendeinem Grund die Konfiguration, kann er sie an SysML zurückspielen, um alle anderen Fachdisziplinen über die Änderung zu informieren. Die bidirektionale Kommunikation der Beziehungen funktioniert so gut, dass man SysML sogar nutzen kann, um die Übereinstimmung eines parametrischen Modells mit der Konstruktionsmethodik zu prüfen. „Die parametrischen Beziehungen lassen sich in Diagrammform einfacher analysieren“, sagt Abulawi. „Man erkennt anhand der Symbole im SysML-Diagramm zum Beispiel, ob der Anwender das Adaptermodell für eine parametrische Konstruktion korrekt definiert hat.“

Jutta Abulawi demonstriert das Zusammenspiel zwischen SysML- und CAD-Modell am Beispiel von Catia V5. Unter Nutzung der VBA-Programmierumgebung hat sie eine Integration zwischen ihrem SysML-Editor MS Visio und dem CAD-System geschrieben, die theoretisch auch für andere CAD-Systeme mit VBA-Schnittstelle genutzt werden könnte. Es handelt sich aber nicht um eine praxistaugliche Schnittstelle, sondern eher um eine Art Prototyp, um zu zeigen, wie es funktionieren könnte. Um SysML im Entwicklungsprozess effizient nutzen zu können, wird man wohl einen datenbankgestützten Diagramm-Editor verwenden und ihn wahrscheinlich auch in die PDM/PLM-Lösungen einbinden müssen, mit denen die meisten Unternehmen ihre Produktstrukturen verwalten.

Das klingt nach Zukunftsmusik, doch Jutta Abulawi ist von den Vorteilen des Model Based Systems Engineering für die Mechanik-Entwicklung überzeugt: „SysML trägt maßgeblich dazu bei, die den CAD-Modellen eigene Komplexität besser beherrschbar zu machen. Letztlich ist ein komplexes CAD-Modell nämlich nichts anderes als ein komplexes System.“

HAW Hamburg, Fakultät Technik und Informatik, Dept. Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau, Hamburg Tel. 040/42875-7864, http://www.haw-hamburg.de E-Mail: jutta.abulawi@haw-hamburg.de

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

Systems Engineering

Komplexität einfach gemacht

Um einen durchgehend digitalisierten Produktionsprozess von der Planung bis zum fertigen Produkt zu gewährleisten und ein Produkt sogar darüber hinaus bis hin zum Recycling zu begleiten, bedarf es modernster Technologien.

mehr...

Studie

Wie Arbeit 4.0 funktioniert

Das Beratungsunternehmen Unity hat eine neue Studie mit dem Titel „Digitale Geschäftsprozesse und modelle verändern die Arbeitswelt“ vorgestellt. Diese soll Antworten auf die Fragen geben, die Manager und Führungskräfte derzeit umtreiben.

mehr...

PLM

Industrie 4.0: In der Realisierungsphase angekommen

Industrie 4.0 gilt als das zentrale Zukunftsthema produzierender Unternehmen. Vergleichbar ist die Situation in der Industrie heute mit der im Handel vor 15 Jahren. Auch hier bedrohte das Internet die etablierten Geschäftsmodelle der Unternehmen.

mehr...
Anzeige

Produktionssysteme

Openness for Global Success

Am 16. und 17. April 2013 findet in Hannover das 16. internationale ProStep-iViP-Symposium für Fach- und Führungskräfte aus aller Welt statt. Themenschwerpunkte sind Offenheit im PLM, Kollaboration und Systems Engineering.

mehr...

Newsletter bestellen

Immer auf dem Laufenden mit dem SCOPE Newsletter

Aktuelle Unternehmensnachrichten, Produktnews und Innovationen kostenfrei in Ihrer Mailbox.

AGB und Datenschutz gelesen und bestätigt.
Zur Startseite