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Systems Engineering - Dassault Systèmes

Grundlage dieses Hintergrundtextes waren ein Gespräch mit Marc Frouin, Senior Director PLM Systems Solutions Introductions, und ergänzende Erläuterungen von Dassault Systèmes Experte Bernard Clark, Direktor für Marketing und Business Development PLM for Systems.

Marc Frouin war zuvor Aufsichtsratsvorsitzender der 2010 von Dassault Systèmes übernommenen Firma Geensoft, die sich mit der Reqtify Produktfamilie im Umfeld der Entwicklung von Embedded Systems etabliert hatte.

Das Wichtigste in Kürze:

  • Dassault Systèmes hat früh erkannt, dass Systems Engineering für die Fertigungsindustrie eine große Herausforderung darstellt, die nicht nur neue Entwicklungsmethoden, sondern auch neue Wege der IT-Unterstützung des Engineerings erfordert.
  • Der Anbieter will mit seinen Produkten den kompletten Prozess des RFLP (Requirements, Functions, Logic, Physics) unterstützen, vom Requirements Engineering über die funktionale Zergliederung und Logik-Definition bis hin zur physikalischen Entwicklung und zum Test der Komponenten.
  • 2007 übernahm Dassault Systèmes die schwedische Firma Dynasim AB, einen der Marktführer in Sachen Funktionsmodellierung. Der Geschäftsführer Hilding Elmqvist war der Entwickler der Modellierungssprache Modelica und deren grafischer Oberfläche Dymola. Damit gelang Dassault Systèmes früh eine wichtige, strategische Akquisition in Sachen Systems Engineering.
  • Die im Januar 2008 erstmals vorgestellte V6-Plattform ersetzt das herkömmliche Dateiverwaltungssystem durch eine integrierte Datenbankverwaltung aller zueinander in Beziehung stehenden Objekte. Damit wurde auch die Basis gelegt für ein disziplinübergreifendes Engineering.
  • Als führender IT-Anbieter in der Automobilindustrie ist Dassault Systèmes an strategischen Forschungsprojekten beteiligt. Eines der wichtigsten ist MODELISAR, das insbesondere auf eine Verbesserung der interdisziplinären Zusammenarbeit abzielt und von Dassault Systèmes und Daimler initiiert wurde.

SIMULIA und V6 – frühzeitig hohe Priorität für Systems Engineering

Vor fünf Jahren wurde das Thema Systems Engineering noch weitgehend theoretisch behandelt. Außerhalb von Luft- und Raumfahrt interessierte sich kaum jemand dafür. Auch unter den IT-Anbietern für Engineering-Anwendungen galt es als Spezialfall der Entwicklung, mit wenig Bezug zur industriellen Praxis, wenn man einmal von der eigentlichen Software-Systementwicklung absah. Dassault Systèmes hat hier früher als die Wettbewerber darauf gesetzt, dass sich Systems Engineering zu einem Haupttrend in der Produktentwicklung mausern würde. Entsprechend waren die Investitionen des Softwareherstellers in diesem Umfeld.

Die Übernahme von Dynasim war solch eine Investition. Als sie 2006 zum Teil von Dassault Systèmes wurde, war der Entwickler der Modellierungssprache  Modelica, Hilding Elmqvist, Geschäftsführer, und er leitet nach wie vor die Geschicke der Dassault Systèmes AB,  Lund, die 2010 gegründet wurde. Modelica ist eine formale Systemmodellierungssprache. Sie wurde entwickelt, um Modelle von Systemen beziehungsweise Systemkomponenten speichern und wiederverwenden zu können.

Wikipedia: „Modelica ist eine objektorientierte Beschreibungssprache für physikalische Modelle, sie ist 1997 im Programmiersprachenstandard 1.0 erschienen. Ein in Modelica formuliertes, physikalisches Modell wird von einem Modelica-Translator in ein mathematisches Modell übersetzt und mittels eines Lösungsalgorithmus gelöst.“
Modelica ist schon seit Ende der Neunzigerjahre eine Public Domain. Ihre Weiterentwicklung wird von einer Non-Profit-Organisation, der Modelica Association, organisiert. Auch hier spielt Elmqvist weiterhin eine führende Rolle.  Zur Sprache gehört inzwischen eine umfangreiche Modellbibliothek, die Modelica Standards Library (MSL). Modelica ist zur Beschreibung von fachbereichsübergreifenden Problemen in einem weiten Feld von Disziplinen geeignet, etwa Mechanik, Elektrotechnik und Elektronik, Thermodynamik, Hydraulik und Pneumatik, Regelungstechnik und Prozesstechnik.

Noch vor der Programmiersprache hatte Elmqvist eine grafische Entwicklungsumgebung namens Dymola (Dynamic Modeling Laboratory) entwickelt, die eine Simulation komplexer, physikalischer Modelle in ihrer Bewegung erlaubt. Grafische Symbole stellen dabei jeweils einzelne Objekte dar. Dymola ist heute ein Produkt der Marke SIMULIA von Dassault Systèmes. Neben MATLAB/Simulink von Mathworks sind Modelica und Dymola heute die wohl am weitesten verbreiteten Tools zur Systemmodellierung.

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Auch bei der Entwicklung der V6-Plattform spielte das Thema Systems Engineering eine wichtige Rolle. Von Anfang an wurde sie verbunden mit dem sogenannten RFLP-Modell, das gewissermaßen den linken, absteigenden Ast des V-Modells beschreibt. Mit der Erfassung und Beschreibung der Anforderungen an ein System wird in der Konzeptphase die Architektur des Systems beschrieben. Mit der Zergliederung der Funktionalität sind im nächsten Schritt die Voraussetzungen geschaffen, die Entwicklung der einzelnen Elemente und Komponenten des Systems in Angriff zu nehmen. Das logische Zusammenwirken der Komponenten liefert dann die Voraussetzung dafür, dass die entwickelten Bauteile und Baugruppen schließlich getestet und validiert werden können.

Quelle: Dassault Systèmes

Um diese Durchgängigkeit unterstützen zu können, setzt Dassault Systèmes mit V6 auf eine objektorientierte Datenstruktur, in der nicht mehr die Beziehungen von vielen einzelnen Dateien verwaltet und beherrscht werden müssen, sondern in der alle Objekte auch eines komplexen Systems unmittelbar in der Datenbank miteinander verknüpft sind. Das bedeutet auf der anderen Seite, dass die herkömmliche Datenverwaltung und der übliche Datenaustausch beim Kunden, insbesondere zwischen Systemen unterschiedlicher Herkunft und Datenformate, nicht ohne weiteres damit kompatibel sind.

Für Marc Frouin ist dies ein Widerspruch, der sich aus der Sache ergibt: „Die meisten unserer Kunden fangen gerade erst an, sich mit Systems Engineering zu beschäftigen. Ihre Entwicklung ist in der Regel fachspezifisch organisiert. Für diese Art der Entwicklung war das auf Dateien basierende Arbeiten ausreichend. Aber je mehr die Interdisziplinarität eine Rolle spielt, desto deutlicher wird sich zeigen, dass dies auch eine andere Art von Objektmanagement erfordert. Wir sind diesen Schritt bereits gegangen. Er wird sich durchsetzen.“

Eine branchenübergreifende Herausforderung

Systems Engineering ist keine Herausforderung, die nur eine bestimmte Branche trifft. Dennoch ist der Druck zum Einsatz neue Methoden und Tools unterschiedlich groß. Dassault Systèmes hat sich zunächst mit den Anforderungen jener Industrien befasst, die sich als Eigentümer komplexer Produkt- und Systemplattformen positionieren, für deren Entwicklung sie mit einer großen Zahl von Lieferanten und Partnern zusammenarbeiten. In erster Linie sind dies die Flugzeugbauer und die OEMs der Automobilindustrie. Hier geht es nicht nur um die Zusammenarbeit von verschiedenen Fachbereichen, sondern um die Synchronisierung von Hunderten von Entwicklern, die ihren Beitrag zum selben System leisten.

tl_files/plm/img/Hintergrundtexte/Dassault/HybridVehicle.jpgQuelle: Dassault Systèmes

Ähnliche Bedeutung hat Systems Engineering aber inzwischen auch für eine Vielzahl anderer Industrien erlangt. Marc Frouin nennt die Hersteller von Schwermaschinen, die Energieerzeuger, den Schiffbau und generell alle Hersteller von Transportsystemen. In diesen Branchen standen meist Maschinenbau und Mechanik im Vordergrund, und von hier aus wird mehr und mehr die Integration von Software und Elektronik in Angriff genommen.

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Quelle: Dassault Systèmes

Von Anfang hatte das Thema aber auch in der Hightech Industrie eine besondere Bedeutung, von Drucker- oder Festplattenherstellern über Medizintechnik bis wiederum zu speziellen Zulieferern für Aerospace und Automotive. In diesen Branchen ist eher die Elektronik der Treiber. Aber die Aufgabenstellung ist letztlich dieselbe.

Requirements Engineering steht auf zwei Beinen

Selten werden Systeme von Grund auf neu entwickelt. Sie sind meist Subsysteme in einem komplexen Produkt, in dessen Rahmenbedingungen und Grenzen sie eingepasst werden müssen. Dennoch wird  das Requirements Engineering generell immer wichtiger. Wo heute noch fast überall Anforderungen in Form umfangreicher Lasten- und Pflichtenhefte als reine Textelemente erfasst und kommuniziert werden, suchen immer mehr Unternehmen nach praxisgerechten Methoden eines regelrechten Requirements Engineering, das die Anforderungen an ein System erfasst und über seinen ganzen Lebenszyklus verfolgt. Aus Sicht von Dassault Systèmes besteht diese Aufgabe aus zwei Kernprozessen, die beide durch spezielle IT-Werkzeuge unterstützt werden.

Der erste Prozess ist die Erfassung und das Management der Anforderungen, das Requirements Management; der zweite die Nachverfolgung und Analyse der Anforderungserfüllung im Verlauf der Systementwicklung, das Requirements Tracing.

Für die Erfassung und Beschreibung der Anforderungen ist innerhalb von V6 das Modul ENOVIA Requirements Central zuständig. Hier existiert einerseits eine tiefe Integration von IBM Rational Doors, die schon in den Zeiten der exklusiven Vertriebspartnerschaft von Dassault Systèmes mit IBM entwickelt wurde. Andererseits ist das System offen für eine Integration von  Integrity (PTC/MKS) und anderen Tools, die das Management von Anforderungen unterstützen.

Für die Nachverfolgung und Analyse der Anforderungen bietet der Hersteller die Produktfamilie Reqtify, die durch die Übernahme von Geensoft im Jahr 2010 ins Produktportfolio kam. Geensoft hatte mit diesen Produkten erfolgreich die Entwicklung von Embedded Software unterstützt. Reqtify verlinkt die Entwicklung, den Test und die Validierung von Komponenten mit den zugehörigen Anforderungen und erlaubt eine Analyse, in wie weit die Anforderungen erfüllt wurden, beziehungsweise in welchen Punkten Fehler oder Mängel aufgetreten sind.

Die ursprünglich eigenständig auf den Markt gebrachten Produkte verfügen über eine umfangreiche Liste von Schnittstellen, mit denen mehr als 60 Engineering-Tools diverser Hersteller eingebunden werden können. Die Unterstützung zahlreicher Standards wie ISO61508, ISO26262, Spice, DO178C, DO254, FDA, GAMP oder CMMI ist ebenfalls Teil der Funktionalität. Und natürlich auch hier die Integration von IBM Rational Doors und Integrity.

Modellbasierte Entwicklung: Basis für Systemsimulation

Eines der großen Themen im Systems Engineering ist die Frage, wie das zu entwickelnde System beziehungsweise seine einzelnen Komponenten modelliert werden. Besteht das Modell nur in einer Beschreibung, oder ist es ein ausführbares Modell, das Simulation gestattet? Ist die Beschreibung alphanumerisch oder grafisch? Werden nur Eigenschaften beschrieben oder auch das Verhalten? Ist das Modell dreidimensional oder besteht es aus Symbolen?
In der Regel gibt es auf jede dieser Fragen in der Systementwicklung der Unternehmen mehrere Antworten. Bei den Herstellern von IT-Werkzeugen ist es nicht anders. Allein bei Dassault Systèmes existieren mittlerweile etliche unterschiedlicher Modellierungstools und -sprachen. Ihre Integration ist immer nur eine der Lösungen, die den Kunden geboten wird. Die andere besteht in der Möglichkeit, diese Tools mit denen anderer Hersteller zu koppeln.
So lässt sich das mit CATIA V6 erzeugte 3D-Modell einer Komponente über Dynamic Behavior Modeling (DBM) von CATIA Systems mit den Verhaltensmodellen aus Dymola/Modelica verlinken, einschließlich der Nutzung aller Bibliotheken und Optionen der SIMULIA-Seite.

Die Dymola-Modelle können aber auch stand-alone zum Einsatz kommen. Dann nutzt der Anwender einerseits die eigenen Fähigkeiten des Systems zur grafischen Modellierung, andererseits kann er die Dymola-Modelle über Schnittstellen mit 3D-Modellierern anderer Hersteller oder auch anderen als CAD-Modellen verknüpfen.

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Quelle: Dassault Systèmes

Die Frage der Verknüpfung von Modellen innerhalb der Systementwicklung ist keineswegs eine akademische Frage. Erst durch die Kopplung von Modellen aus der Mechanik mit solchen aus der Elektronik und Software können nämlich sinnvolle System-Simulationen durchgeführt werden. Ein Sensor prüft die Stellung der Heckklappe und gibt ein Signal an ein Steuergerät, das einen Elektromotor bremst oder beschleunigt. Nur, wenn das 3D-Modell der Heckklappe mit den Funktionsdaten aus Motor, Elektronik und Steuerungssoftware verknüpft ist, lässt sich die Funktion der Heckklappe in vollem Umfang simulieren. Die Simulation spielt dabei in der Systementwicklung noch eine wesentlich größere Rolle als in der reinen Produktentwicklung der Mechanik, um Entwicklungszeit zu sparen und gleichzeitig die Produktqualität zu erhöhen und Fehler zu vermeiden.

Wegen dieser enormen Bedeutung der Kopplung fachspezifischer Modelle haben Daimler und Dassault Systèmes im Juli 2008 im Rahmen von ITEA2, einem der Kernprojekte des europäischen Forschungs-Clusters Eureka, ein Forschungsprojekt namens MODELISAR initiiert und koordiniert, an dem insgesamt 29 Partnerunternehmen aus fünf Ländern teilnahmen. Es war auf dreieinhalb Jahre terminiert und wurde im Dezember 2011 abgeschlossen. Das Hauptziel war die Schaffung einer Standard-Schnittstelle zur Erleichterung von Funktionssimulation mit Beteiligung verschiedener Softwaresysteme, einschließlich der Anbindung an PLM. Sie sollte münden in einen offenen Standard eines Functional Mock-up Interface (FMI), und der Vorschlag für einen solchen Standard liegt inzwischen vor (http://www.MODELISAR.com/fmi.html). Um die Simulation beispielsweise von Fahrzeug-Komponenten in frühen Entwicklungsstadien zu erleichtern, wurde zugleich eine Verknüpfung der Standards Modelica und AUTOSAR angestrebt.

Das FMI erlaubt die Zusammenführung verschiedener, bereits kompilierter Simulationseinheiten in ein gemeinsames Rahmenwerk zur kombinierten Simulation. Damit steht ein Standard zur Verfügung, der die Definition von vier Schlüsselfähigkeiten umfasst, die für ein Simulationsmodell vorausgesetzt werden: den Modellaustausch, eine Schnittstelle zur Co-Simulation, eine zum Lifecycle Management und eine zu anderen Anwendungen, etwa Hardware-in-the-Loop (HIL).

Auch wenn sich Systems Engineering allmählich als Kernthema der industriellen Produktentwicklung durchsetzt, bleibt es ein wichtiges Forschungsgebiet, in dem noch viele Aufgaben ungelöst sind. Dassault Systèmes war und ist neben MODELISAR an weiteren europäischen wie internationalen Forschungsprojekten beteiligt. Zwei Beispiele:
CRESCENDO wurde unter Federführung von Airbus im Jahr 2009 aufgesetzt und ist auf drei Jahre ausgelegt. Beteiligt sind 59 Organisationen aus 13 Ländern, darunter führende Flugzeugbauer, IT- und Serviceanbieter, Forschungseinrichtungen und akademische Institute. Das Konsortium will neue Wege finden, um in einer firmenübergreifenden, multidisziplinären Systementwicklung die Kosten und den Zeitaufwand für Systemmodellierung und Simulation spürbar zu senken.

EUROSYSLIB war – wie MODELISAR – ein ITEA2-Projekt, das von Ende 2007 bis Mitte 2010 lief. Es zielte darauf, die europäische Führerschaft auf dem Gebiet der Modellierung und Simulation eingebetteter Systeme durch die Weiterentwicklung von Modelica und der dafür verfügbaren Standardbibliotheken zu untermauern. Involviert waren 19 Partner aus fünf Ländern.

Eine PLM-Roadmap für Systems Engineering

tl_files/plm/img/Hintergrundtexte/Dassault/Scanner_logical_01.jpgFür Dassault Systèmes ist Systems Engineering nicht ein zusätzliches Aufgabengebiet, das von einem PLM-Konzept betrachtet werden muss. Vielmehr ist die ganze V6 Plattform – also das zentrale PLM-Werkzeug von Dassault Systèmes – ausgerichtet auf Systems Engineering. PLM wird verstanden einerseits als Management des Lebenszyklus von Produkten von der ersten Idee bis zum Betrieb/Einsatz beim Kunden – das ist die eine Richtung, in der viele Prozesse miteinander verkettet und integriert werden müssen. Die andere Richtung verläuft horizontal zwischen den beteiligten Gewerken oder Fachdisziplinen, die jeweils an den Prozessen beteiligt sind. Dieses umfassende Verständnis von PLM prägt auch die Prioritätenliste, die der Hersteller für die Weiterentwicklung der eigenen Softwareprodukte hinsichtlich Systems Engineering in den kommenden Jahren beschreibt:

  • Weitere Integration der durch die Übernahme von Geensoft hinzugekommenen Produkte – Reqtify, ControlBuild und AUTOSAR Builder) in die V6 Umgebung
  • Verbesserung der Funktionalitäten in Requirements Engineering und Berücksichtigung von Compliance hinsichtlich einer einfacheren Nutzbarkeit und leichteren Zugänglichkeit für Ingenieure, die nicht täglich mit diesen Themen befasst sind
  • Weiterer Ausbau der Unterstützung von Co-Simulation, um die Integration von Modellen, die nicht mit Dassault Systèmes Technologie erzeugt wurden, über den Standard FMI in die V6-Umgebung zu vereinfachen
  • Weitere Integration von Modellierungs- und Simulationstools anderer Hersteller in die V6 Systems Engineering Infrastruktur
  • Fortsetzung der Integration von Modelica mit 3D-Geometrie

Und natürlich darf man gespannt sein, welche Softwarewerkstätten und Spezialanbieter in diesem Umfeld die nächsten Ziele strategischer Akquisitionen von Dassault Systèmes sind. Dass der Hersteller die Augen in dieser Hinsicht ebenso offen hat wie der Wettbewerb, steht nicht in Frage. Nur auf wen sich der Blick richtet, bleibt natürlich vorläufig ein Geheimnis.

© PLMportal

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