Model-Based Systems Engineering (MBSE)
Model-Based Systems Engineering (MBSE)
Entwicklungsbeschleunigung durch pragmatisches Lean MBSE
Development acceleration through pragmatic Lean MBSE
Kernproblem von Unternehmen
Core Challenge of Companies
Kleine und mittlere Technologieunternehmen im High-Tech-Sektor agieren an der komplexen Schnittstelle von Hardware, Software und Mechanik. Klassische, dokumentenbasierte Entwicklungsprozesse führen bei der Entwicklung mechatronischer Systeme regelmäßig zu späten und kostenintensiven Designänderungen während der physischen Systemintegration in der Produktion und beim Kunden. Industrielle Standard-Frameworks des Model-Based Systems Engineering sind für diese Organisationsgrößen jedoch oft zu komplex, softwaretool-lastig und unrentabel.
Small and medium-sized technology enterprises in the high-tech sector operate at the complex intersection of hardware, software, and mechanics. Legacy, document-based development processes regularly lead to late and costly design changes during physical system integration in production and at the customer's site. However, industrial standard frameworks of Model-Based Systems Engineering are often too complex, software-tool-heavy, and unprofitable for these organization sizes.
Benötigt man MBSE?
Is MBSE Required?
Der folgende Entscheidungsbaum soll die grundsätzliche Beantwortung der Frage vereinfachen, ob MBSE für ein Unternehmen oder eine Entwicklung sinnvoll ist.
The following decision tree is intended to simplify the fundamental answer to the question of whether MBSE makes sense for a company or a development project.
Lösung und methodischer Ansatz mit Lean MBSE
Solution and Methodological Approach with Lean MBSE
Wenn es sinnvoll ist, MBSE einzuführen, dann kann die Implementierung eines pragmatischen Lean-MBSE-Ansatzes eine Lösung sein. Anstelle einer vollständigen digitalen Abbildung des Gesamtsystems fokussiert sich diese Methodik auf die Digitalisierung und Simulation kritischer Systemschnittstellen sowie funktionaler Abhängigkeiten. Durch den Einsatz kosteneffizienter Modellierungswerkzeuge bleibt der Aufwand gering. Das konsequente Verschieben von Verifikationsschritten in die digitale Phase durch Frontloading minimiert die Entwicklungsrisiken für cyber-physische Systeme und verkürzt die Zeit bis zur Marktreife deutlich.
If introducing MBSE is viable, implementing a pragmatic Lean MBSE approach can be an ideal solution. Instead of a full digital representation of the entire system, this methodology focuses on digitizing and simulating critical system interfaces and functional dependencies. By utilizing cost-effective modeling tools, overhead remains low. Consequently shifting verification steps into the digital phase via frontloading minimizes development risks for cyber-physical systems and significantly reduces time-to-market.
Die 5 Säulen der operativen Umsetzung
The 5 Pillars of Operational Execution
1. Gezielte Modellierung
1. Targeted Modeling
Kleine Teams versuchen oft, das gesamte System vollumfänglich von oben nach unten zu modellieren, was die Entwicklung über Monate blockieren kann. Der Lean-Ansatz konzentriert sich stattdessen ausschließlich auf die kritischen Schnittstellen und die wesentlichen Zustandsmaschinen. Ein einfaches Black-Box-Modell reicht meist aus, um einen Großteil der typischen Integrationsprobleme in der Produktion oder beim Kunden frühzeitig zu lösen.
Small teams often try to model the entire system comprehensively from top to bottom, which can stall development for months. The Lean approach focuses exclusively on critical interfaces and essential state machines instead. A simple black-box model is usually sufficient to resolve a large portion of typical integration issues in production or at the customer's site early on.
2. Tool-Pragmatismus
2. Tool Pragmatism
Große MBSE-Werkzeuge erfordern hohe Investitionen und eine lange Einarbeitungszeit. Im Ansatz des Lean MBSE sollten eher leichtgewichtige Werkzeuge zum Einsatz kommen. Das zentrale Architekturmodell bleibt schlank und erlaubt es den Entwicklern, Änderungen ohne tiefgehendes Expertenwissen direkt einzubringen.
Enterprise MBSE tools require heavy investment and long onboarding periods. In the Lean MBSE approach, lightweight tools should be used instead. The central architecture model remains lean, allowing developers to introduce changes directly without deep expert knowledge.
3. Frontloading und Agilität
3. Frontloading and Agility
Agilität ist in der physischen Entwicklung aufgrund von Materiallieferzeiten und Fertigungsabläufen schwer umsetzbar. Das zentrale Architekturmodell dient hier als gemeinsame Datenbasis, auf die alle technischen Disziplinen zugreifen. Schnittstellenkonflikte können früh gefunden werden, sodass nachfolgende Änderungprozesse die betroffenen Abteilungen direkt informieren.
Agility is difficult to implement in physical development due to material lead times and manufacturing processes. The central architecture model serves as a shared data basis accessed by all engineering disciplines. Interface conflicts can be detected early, so that subsequent change processes inform the affected departments directly.
4. Modellbasierte Traceability
4. Model-Based Traceability
In kleineren Organisationen ist das technologische Wissen häufig an einzelne Personen gebunden. Lean MBSE nutzt das zentrale Modell als funktionale Landkarte, welche die Anforderungen direkt mit den Architekturblöcken verknüpft. Die Detailkonstruktion verbleibt in den jeweiligen Werkzeugen der Fachdisziplinen, während die Nachvollziehbarkeit eine Vereinfachung sichert.
In smaller organizations, technological knowledge is frequently bound to single individuals. Lean MBSE uses the central model as a functional map linking requirements directly to architectural blocks. Detailed design remains within the specific tools of the respective disciplines, while traceability ensures simplification.
5. Digital Twin und Entkopplung
5. Digital Twin and Decoupling
Feedback aus der Fertigung liegt bei kleinen Stückzahlen oft erst spät vor. Durch den frühen Aufbau eines digitalen Zwilling sowie den Einsatz von Hardware-in-the-loop und Software-in-the-loop wird die Softwareentwicklung von den physikalischen Lieferzeiten entkoppelt. Die Systemintegration und der Anlauf in der Produktion verkürzen sich dadurch erheblich. Es muss aber berücksichtigt werden, dass die Einführung dieser Methoden Aufwand erzeugt, der von Umfang und Art des Projektes gerechtfertigt sein muss.
Feedback from manufacturing often arrives late in low-volume production. Building a digital twin early and utilizing hardware-in-the-loop and software-in-the-loop decouples software development from physical component lead times. This significantly shortens system integration and production ramp-up. However, it must be considered that introducing these methods generates effort that must be justified by the scope and nature of the project.
Vergleich zwischen klassischem MBSE und Lean MBSE
Comparison between Classical MBSE and Lean MBSE
Die nachfolgende Tabelle vergleicht das klassische MBSE mit einem leichtgewichtigen Ansatz für kleinere Unternehmen.
The following table compares traditional enterprise MBSE with a lightweight approach tailored for smaller companies.
| Kriterium | Criterion | Klassisches MBSE im Konzern | Classical MBSE in Enterprises | Lean MBSE für KMU und Spezialisten | Lean MBSE for SMEs and Specialists |
|---|---|---|---|---|---|
| Primäres Ziel | Primary Goal | Vollständige digitale Repräsentation des Systems | Full digital representation of the system | Schnelle Klärung von Schnittstellen und Fertigbarkeit | Rapid clarification of interfaces and manufacturability |
| Werkzeuge | Tools | Umfangreiche und monolithische Software-Suiten | Extensive and monolithic software suites | Leichtgewichtige Tools und ein zentrales Architekturmodell | Lightweight tools and a centralized architecture model |
| Personal | Personnel | Dedizierte Rollen für Systems Engineering | Dedicated roles for Systems Engineering | Parallele Arbeit von Entwicklern und Produktion | Parallel work by developers and production teams |
| Dokumentation | Documentation | Automatische Generierung aller Dokumente aus dem Modell | Automated generation of all documents from the model | Modellierung fokussiert die kritische Logik | Modeling focuses on critical logic |
Strategische Hebel zur Entwicklungsbeschleunigung
Strategic Levers for Development Acceleration
MBSE bietet einige strategische Hebel, um Entwicklungen zu beschleunigen und langfristig effizienter zu machen.
MBSE offers distinct strategic levers to accelerate development pipelines and increase long-term resource efficiency.
| Strategie | Strategy | Fokus | Focus | Einfluss auf die Entwicklungsgeschwindigkeit | Impact on Development Speed |
|---|---|---|---|---|---|
| Verifikation | Verification | Fehlervermeidung an den Schnittstellen von Hardware, Software und Mechanik sowie der Produktion | Error prevention at the interfaces of hardware, software, mechanics, and production | Hoher Impact durch die Vermeidung teurer Redesigns und Werkzeugänderungen | High impact by avoiding expensive redesigns and tooling changes |
| Standardisierte Plattformen | Standardized Platforms | Wiederverwendung bewährter Module und etablierter Fertigungsprozesse | Reuse of proven modules and established manufacturing processes | Hoher Impact durch die deutliche Verkürzung der Konzeptphase und des Produktionsanlaufs | High impact by significantly shortening the concept phase and production ramp-up |
| Kontinuierliche Integration | Continuous Integration | Laufende Qualitätssicherung im Gesamtsystem | Ongoing quality assurance in the overall system | Hoher Impact durch die automatisierte Validierung des Modells gegen die Anforderungen | High impact through automated validation of the model against requirements |
Zusammenfassung der Strategien zur Verkürzung der Entwicklungszeiten
Summary of Strategies to Shorten Development Times
- Die Beschränkung der Modellierung auf kritische Schnittstellen und wesentliche Zustandsmaschinen verringert den Dokumentationsaufwand im Vergleich zu einer vollständigen Abbildung des Gesamtsystems.
- Der Einsatz von leichtgewichtigen und textbasierten Werkzeugen reduziert die Einarbeitungszeit sowie die Kosten.
- Ein zentrales Architekturmodell dient als gemeinsame Datenbasis und ermöglicht den automatisierten Abgleich von Änderungen zwischen den betroffenen Fachbereichen.
- Die modellbasierte Verknüpfung von Anforderungen mit funktionalen Blöcken sichert das technologische Wissen im Unternehmen und beschleunigt weitere Entwicklungen.
- Das Verschieben von Verifikationsschritten in die digitale Phase durch Software-in-the-loop und Hardware-in-the-loop entkoppelt die Softwareentwicklung von den physischen Lieferzeiten der Komponenten.
- Eine gezielte Vorstudie zur Erstellung funktionaler Breadboard-Aufbauten ermöglicht Tests der Elektronik losgelöst von den mechanischen Vorgaben.
- Die Verwendung von Standard-Entwicklungsboards und Prototypen aus additiven Fertigungsverfahren stellt der Softwareabteilung frühzeitig funktionale Muster bereit.
- Ein versioniertes Schnittstellen-Register im Repository generiert Konfigurationsdaten sowie Software-Header automatisiert und vermeidet dadurch manuelle Übertragungsfehler bei cyber-physischen Systemen.
- Regelmäßige kurze Integrationssprints an physischen oder teilvirtuellen Versuchsaufbauten auf Unternehmensebene decken Fehler frühzeitig auf.
- Restricting modeling to critical interfaces and essential state machines reduces documentation overhead compared to a full representation of the entire system.
- The use of lightweight and text-based tools reduces onboarding time and costs.
- A centralized architecture model serves as a common data basis and enables automated synchronization of changes between the affected engineering disciplines.
- The model-based linking of requirements with functional blocks secures technological knowledge within the company and accelerates future developments.
- Shifting verification steps into the digital phase via software-in-the-loop and hardware-in-the-loop decouples software development from physical component lead times.
- A targeted pre-study for creating functional breadboard setups enables electronics testing independent of mechanical constraints.
- The use of standard development boards and prototypes from additive manufacturing processes provides functional samples to the software department early on.
- A versioned interface register in the repository generates configuration data and software headers automatically, thereby preventing manual transcription errors in cyber-physical systems.
- Regular short integration sprints on physical or semi-virtual test setups at the enterprise level uncover errors early on.
Möglichkeiten zur Verkürzung der Entwicklungszeiten durch künstliche Intelligenz
Opportunities to Shorten Development Times through Artificial Intelligence
- Die automatisierte Analyse von Lastenheften durch Sprachmodelle identifiziert Widersprüche in den Anforderungen frühzeitig und verhindert dadurch fehlerhafte Spezifikationen für Hardware, Software und Mechanik.
- Algorithmen evaluieren historische Projektdaten und sagen potenzielle Schnittstellenkonflikte bei mechatronischen Systemen bereits während der frühen Konzeptphase voraus.
- Die durch künstliche Intelligenz unterstützte Generierung von Software-Headern und Treiberschichten aus funktionalen Architekturmodellen beschleunigt die Programmierung für cyber-physische Systeme.
- Maschinelles Lernen optimiert die Parametrierung von Simulationsmodellen für komplexe physikalische Effekte und verkürzt so die virtuelle Absicherung der verschiedenen technischen Disziplinen.
- Die automatisierte Erstellung und Durchführung von Testanordnungen in Software-in-the-Loop-Umgebungen reduziert den zeitlichen Aufwand bei der Absicherung der funktionalen Systemssicherheit.
- Automated analysis of requirement specifications by language models identifies contradictions in requirements early on, preventing faulty specifications for hardware, software, and mechanics.
- Algorithms evaluate historical project data and predict potential interface conflicts in mechatronic systems during the early concept phase.
- AI-supported generation of software headers and driver layers from functional architecture models accelerates programming for cyber-physical systems.
- Machine learning optimizes the parameterization of simulation models for complex physical effects, shortening the virtual validation across different technical disciplines.
- Automated creation and execution of test setups in software-in-the-loop environments reduces the time required to validate functional system safety.