Modellbasierte Systementwicklung (MBSE) () ist eine Methodik des allgemeinen Systems Engineering (SE), bei der Elemente, Informationen und deren Zusammenspiel über ein (zu entwickelndes) System nicht mehr ausschließlich auf Zeichnungen oder Dokumenten basieren, sondern auf Modellen.
Diese Modelle werden in der Regel auf Basis der digitalen Modellierungssprachen Unified Modeling Language (UML) bzw. der für das SE zugeschnittenen Systems Modeling Language (SysML) entwickelt bzw. erstellt. UML findet in der Softwaretechnik Anwendung, siehe auch die Modellgetriebene Softwareentwicklung.
Definition 2007 definierte das International Council on Systems Engineering (INCOSE) MBSE als
“the formalized application of modeling to support system requirements, design, analysis, verification and validation activities beginning in the conceptual design phase and continuing throughout development and later life cycle phases.”
„formalisierte Anwendung der Modellierung, um Tätigkeiten in bezug auf Anforderungen, Design, Analyse, Prüfung und Bewertung von Systemen ab Konzeption sowie während Entwicklung und späterer Lebenszyklusphasen zu unterstützen.“
In Anwendungsfällen, in denen die Relevanz der Modellierung die bloße systemtechnische Beschreibung deutlich übersteigt und integraler Bestandteil des Entwicklungsprozesses ist, wird gelegentlich der Begriff der modellgetriebenen Systementwicklung (Model Driven Systems Engineering, MDSE) verwendet.
Seit 2018 findet durch die INCOSE eine Weiterentwicklung von MBSE zu noch umfassenderem, interdisziplinärem Digital Engineering statt. Ferner wurde die INCOSE Vision des Jahres 2009 zur Zukunft des Systems Engineering fortgeschrieben und als strategischer Leitfaden bis 2035 veröffentlicht.
Vorteile mini|Zusammenfassung der MBSE-Vorteile Im Vergleich zu reinen Textdokumenten haben Systems-Engineering-Modelle mehrere konkrete Vorteile. Im Folgenden sind sie thematisch klassifiziert nach ihrer Bedeutung aufgelistet, beginnend mit dem jeweils wichtigsten Vorteil:
Modelle und Modellierung Systemverständnis und -beschreibung: MBSE ermöglicht grundsätzlich eine präzisere und umfassendere Modellierung des betrachteten Systems als mit den Prosatexten in klassischen Spezifikationsdokumenten und Pflichtenheften, was zu einem besseren Verständnis des Systems durch alle Beteiligten führt. Die natürliche Sprache ist in aller Regel nicht eindeutig. Je nach Vorkenntnissen, Verständnis oder Kultur werden Aussagen unterschiedlich aufgefasst. („Ein Bild sagt mehr als tausend Worte“) Grundlage für digitale Zwillinge: Ein digitaler Zwilling ist das dynamische virtuelle Modell eines Systems, Prozesses oder Dienstes. Die Voraussetzung für einen digitalen Zwilling ist ein physischer Zwilling. Dieser wird jedoch mit Hilfe der Modelle aus dem MBSE-Prozess beschrieben, in all seinen Baugruppen und Einzelteilen hergestellt, getestet, montiert/integriert und in Betrieb genommen. Deshalb ist ein umfassendes MBSE-Modell Voraussetzung für einen digitalen Zwilling, der mit den Echtdaten des physischen Zwillings interoperabel kommuniziert. Damit lassen sich beispielsweise Verhaltenssimulationen des digitalen Zwillings effektiver durchführen und das operative Verhalten des physischen Zwillings lässt sich leichter optimieren. Systemarchitektur: Architekturmodelle können mit MBSE interdisziplinär unter Beteiligung unterschiedlicher Ingenieurwissenschaften entwickelt werden. Sie erlauben zu jeder Zeit die Rückverfolgung aller bis dahin bekannten Abhängigkeiten und spielen ebenfalls eine zentrale Rolle für digitale Zwillinge. Wiederverwendbarkeit von Modellkomponenten: Da MBSE eine systematische Modellierung des Systems ermöglicht, können Subsysteme, Baugruppen und Modellkomponenten wiederverwendet werden. Dies kann dazu beitragen, die Entwicklungszeit und -kosten zu reduzieren, da neue Systeme aus bereits vorhandenen Modellen zusammengestellt werden können. Management von Redundanzen: MBSE ermöglicht eine systematische und strukturierte Modellierung des Systems, wodurch Redundanzen in den Anforderungen und Spezifikationen vermieden werden können. Dadurch wird die Konsistenz und Vollständigkeit der Systembeschreibung verbessert. Dort, wo Redundanzen aus sicherheitskritischer Perspektive erforderlich sind, macht MBSE solche Fähigkeiten von Anfang an transparent. Sicherheit und Zuverlässigkeit: Der Einsatz von MBSE eröffnet die Fähigkeit, das betrachtete System in einem digitalen Modell vollständig zu analysieren und zu optimieren, bevor es implementiert und in Betrieb genommen wird. Durch geeignete Fehleranalysemethoden kann frühzeitig sichergestellt werden, dass das System zuverlässig arbeitet. Ferner lassen sich spezifische Modellbausteine für die Cybersicherheit in Systemmodelle integrieren. Auch dieser MBSE-Vorteil spielt bei digitalen Zwillingen eine wichtige Rolle.
MBSE Lebenszyklusprozess Fehlererkennung und Risikominderung: MBSE begünstigt die frühe Identifikation und Bewertung von Fehlern und Risiken im Entwicklungsprozess, wodurch Fehler- und Risikomanagement effektiver gestaltet werden können. MBSE kann als Grundlage für Simulationen und Tests verwendet werden, um das Systemverhalten zu überprüfen und zu validieren. So können Fehler und Risiken im System frühzeitig erkannt und behoben bzw. minimiert werden. Traceability und Nachverfolgbarkeit: Mit MBSE können Entscheidungen und Änderungen im Entwicklungsprozess leichter nachvollzogen werden, da alle Anforderungen in einem zentralen Modell gespeichert und Abhängigkeiten zwischen den Anforderungen codiert sind. Ohne diese Fähigkeiten können keine digitalen Zwillinge entstehen. Nachverfolgbarkeit erleichtert ferner die Erfüllung von Compliance-Anforderungen. Integration von Systemkomponenten: MBSE ermöglicht eine präzise Modellierung aller Systemkomponenten, Baugruppen und Subsysteme sowie deren Interaktionen, wodurch eine bessere Integration und Interoperabilität des Gesamtsystems erreicht werden kann. Flexibilität, Anpassungsfähigkeit und Agilität: MBSE ermöglicht es, Modelle schnell anzupassen und zu ändern, um diese an neue Anforderungen und neue operative Bedingungen anzupassen. Hierdurch werden agile Entwicklungsmethoden unterstützt. Qualitätssicherung und Qualitätsstandards: Mit MBSE ist es möglich, die Qualität des betrachteten Systems durch die Integration von Qualitätsstandards wie ISO 9001 oder Reifegradmodellen wie CMMI systematisch zu verbessern und sowohl technisch als auch prozessbezogen abzusichern. Überprüfbarkeit und Validierung: MBSE ermöglicht die Integration von Validierungs- und Verifikationsaktivitäten direkt in den Entwicklungsprozess, was zu einer effektiveren Überprüfung des Systems und einer besseren Abdeckung der Anforderungen bei der Systemintegration führt. Dabei kann Testautomatisierung eine wichtige Rolle spielen. Dokumentation und Verwaltung von Systeminformationen: MBSE ermöglicht eine automatisierte Dokumentation, welche die Entwicklungsdokumentation konsistenter und präziser macht. Dies ist insbesondere bei der Entwicklung von sicherheitskritischen Systemen von Vorteil.
Organisatorische Aspekte Zusammenarbeit mit Kunden und Stakeholdern: Mit MBSE wird es leichter, das Systemverständnis und die Systembeschreibung mit Kunden und anderen Stakeholdern zu teilen. Dies verbessert die Zusammenarbeit und das Verständnis der Anforderungen und trägt dazu bei, dass das fertige System den Anforderungen der Stakeholder entspricht. Dabei spielen die gewünschten Nutzer-Szenarien der Anwender die zentrale Rolle. Entscheidungsfindung: MBSE ermöglicht eine detaillierte Modellierung eines geplanten Systems, was dem Projektmanagement eine bessere Entscheidungsgrundlage bietet. Projektleiter und verantwortliches Management können schnellere und bessere Entscheidungen treffen, da sie auf fundierten Informationen basieren. Kosten und Entwicklungszeiten: MBSE kann dazu beitragen, die Entwicklungszeit und die Kosten für die Systementwicklung zu reduzieren, da es den Entwicklungsprozess effizienter, transparenter und risikoärmer macht und so die Anzahl der erforderlichen Tests reduziert, weil Fehler frühzeitig erkannt und behoben wurden. Schulung und Ausbildung: MBSE bietet eine intuitive und visuelle Möglichkeit, komplexe Systeme einfacher erklärbar darzustellen. Dadurch kann es dazu beitragen, Schulung und Ausbildung von Mitarbeitern zu verbessern.
MBSE-Infrastruktur Es gibt umfassende Literatur über MBSE-Infrastruktur und verknüpfte MBSE-Werkzeuge. Zentraler Punkt ist überall: Effizienz und Produktivität durch Automatisierung und Standardisierung: Durch die Verwendung von Modelliermethoden und -werkzeugen können viele manuelle Aufgaben automatisiert werden, was die Entwicklungszeit verkürzt und menschliche Fehler minimiert. Die Modellierung von Systemen in einem standardisierten Prozess und Format ermöglicht eine bessere Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Teams, indem sie eine gemeinsame Sprache und ein gemeinsames Verständnis der Systemarchitektur schafft. Dadurch können Engpässe oder Inkonsistenzen im Entwicklungsprozess vermieden werden.
Wichtig ist es, zu beachten, dass diese Vorteilsrangfolge nur eine allgemeine Schätzung darstellt und dass die Bedeutung der einzelnen Vorteile stark von spezifischen Projekanforderungen, organisatorischen Bedingungen und Zielen des zu betrachtenden Systems abhängt. Die Reihenfolge muss gegebenenfalls entsprechend angepasst werden.
Nach Robert Cloutier sollen im Ergebnis besseres Problemverständnis aller Projektbeteiligten und weitreichende Komplexitätsbeherrschung erzielt werden können.
Herausforderungen mini|Mechatronisches V-Modell nach VDI/VDE 2206 aus dem Jahr 2021 mini|Zusammenfassung der MBSE-Herausforderungen Es gibt ein ganzes Spektrum an Herausforderungen beim Einsatz von MBSE. Diese lassen sich konkret durch ein MBSE-Reifegradmodell bewerten. Die Rangfolge der MBSE-Herausforderungen kann von Projekt zu Projekt unterschiedlich sein, da dies von den jeweiligen Anforderungen des Projekts, dem Fortschritt von MBSE-Implementierung in einer Organisation und den Fähigkeiten des/der jeweiligen Teams abhängt. Daher ist es schwierig, eine allgemeingültige Rangfolge festzulegen. Der VDI empfiehlt jedoch in diesem Zusammenhang in seiner Richtlinie VDI/VDE 2206 aus dem Jahre 2021 das V-Modell als Teil der „Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme“. Darauf aufbauend lässt sich auch hier eine thematisch klassifizierte Rangfolge aufstellen, beginnend mit den jeweils größten Herausforderungen:
Modelle und Modellierung Modellierungsschwierigkeiten und Systemkomplexität: Die Verwendung von MBSE hängt eng mit der Komplexität des betrachteten Systems zusammen. Dies liegt daran, dass es eine Vielzahl von Modellen und Diagrammen gibt, die erstellt und aktualisiert werden müssen, um das betreffende System vollständig zu beschreiben. Wenn der Aktualisierungsprozess nicht beherrscht wird, kann dies zu erheblichen Schwierigkeiten bei der Verwaltung und Verwendung der Modelle führen. Deshalb ist hier größte Aufmerksamkeit erforderlich. Modellierungskomplexität: Eine weitere Herausforderung bei der Anwendung von MBSE ist die Komplexität der Modellierung. Es ist schwierig, Modelle zu erstellen, welche die Komplexität des realen Systems genau widerspiegeln und dennoch verständlich und einfach zu verwenden sind. Validierung und Verifikation der Modelle: Validierung und Verifikation der Modelle gehören neben der Handhabung der Systemkomplexität zu den größten Herausforderungen beim Einsatz von MBSE, da sichergestellt werden muss, dass die Modelle korrekt sind. Das Fehlen einer angemessenen Validierung und Verifikation kann zu Fehlern und Inkonsistenzen im System führen. Dies wiederum führt zu hohen Entwicklungskosten und möglicherweise zu gefährlichen Situationen beim Systemeinsatz, was unter allen Umständen vermieden werden muss.