Model-Based Systems Engineering (MBSE)
Классическим подходом к организации процессов жизненного цикла изделия является документо-ориентированный или документоцентричный подход.
Документо-ориентированный (документоцентричный) подход к управлению данными — это концепция, при которой основной единицей информации является документ, представленный в бумажной или в электронной (файл) форме.
При документо-ориентированном подходе, документ первичен, а данные, содержащиеся в нем, вторичны. Все бизнес-процессы подхода направлены на создание и управление документами.
Автоматизация документоцентричного подхода, как правило, сводится к управлению движением документов (согласование, утверждение ...) и их учету (управление версиями, электронный архив).
Подход имеет множество минусов и негативно влияет на эффективность реализации всех процессов жизненного цикла изделия и процессов проектирования в частности.
Альтернативой является внедрение датацентричного подхода к управления данными, а точнее его развитием в виде моделе-ориентированного подхода и подхода MBSE.
Датацентричный и моделе-ориентированный подход
Датацентричный подход к управлению данными подразумевает, что информация является первичной, а документы лишь отчеты, которые формируются автоматически, на основании структурированных и связанных между собой данных в информационной системе (базе данных).
В рамках конкретного информационной системы определяются единицы данных, формат их представления и способы описания их взаимосвязей (отношений).
Моделе-ориентированный подход, в свою очередь, является развитием датацентричного подхода. При моделе-ориентированном подходе данные описываются в виде формальных моделей и их совокупности.
В настоящее время, в отечественных инженерных компаниях, наблюдается комбинация использования моделе-ориентированного и документоцентричного подходов к проектированию. Так, все чаще, 3D модель изделия становится источником данных для формирования электронной структуры изделия (ЭСИ), и уже на основе ЭСИ формируются необходимые документы как отчеты (спецификации, ведомости покупных). При этом активно используются чертежи, они хоть и могут формироваться как проекции с 3D-моделей, но требуют ручной доработки (размеры, допуски формы и т.д.) поэтому по факту являются слабым местом в данной схеме работы. Значительная часть проектных и конструкторских данных по прежнему представлена в виде документов:
- Технические задания;
- Схемы принципиальные;
- Пояснительные записки;
- Программы и методики испытаний;
- Сертификационный базис;
- Квалификационный базис;
- Описание типовой конструкции
- др.
Таким образом, не смотря на внедренные PDM-системы и активное использование 3D моделирования, эффективность процессов проектирования остается на низком уровне, так как не реализован полный переход на работу с моделями как источниками первичной информации о проектируемом изделии.
Идея о необходимости полного перехода к описанию изделия в виде моделей, нашла свое продолжение в методологии MBSE.
MBSE
До бурного развития информационных технологий, системная инженерия развивалась в рамках документоцентричного подхода, со всеми сопутствующими минусами. С появлением инструментов и методов компьютерного моделирования системная инженерия нашла свое развитие в их активном применении.
Model-Based Systems Engineering - это развитие моделе-ориентированного подхода, современная методология системной инженерии, в которой формализованные модели становятся центральным источником актуальной (живой) информации о системе на протяжении всего ее жизненного цикла (от концепции до утилизации).
Для формализованного описания изделия на различных стадиях его жизненного цикла могут использоваться различные формальные компьютерные модели, например*:
Формализованное описание взаимодействия изделия с его окружением в процессе эксплуатации.
Модель эксплуатации служит единым источником данных для:
- Выявления требований к эксплуатации;
- Формирования программы и методики испытаний;
- Разработки руководства по эксплуатации;
- и др.
На рисунке ниже можно увидеть пример данных, содержащихся в модели эксплуатации, разработанной по методу ARCADIA (приведен пример диаграммы операционных возможностей проектируемой системы при взаимодействии с окружением).
Модель эксплуатации является результатом реализации практики архитектурного проектирования.
Модель требований (это не текст в Word и не таблица в Excel) — это формализованное описание требований (например, объектов в PDM-системе) и их отношений с другими данными об изделии: другими требованиями (дочерними, родительскими, ограничениями), конструкторской документацией (где они реализуются).
Такие требования поддаются машинной обработке и интерпретации. Они могут быть связаны с данными, зафиксированными в других моделях (функциональной, 3D-модели), и служат единым источником данных о требованиях к изделию и его составным частям.
Модель требований является результатом реализации практики инженерии требований.
Это формализованное описание функций изделия (системы) и взаимодействий между ними. Модель функций может быть выражена в виде структурной модели функций — модели, описывающей иерархию и декомпозицию функций. Также модель функций может быть выражена в виде последовательности выполнения функций.
На рисунке ниже можно увидеть пример данных, которые могут содержаться в модели функций (приведен пример диаграммы декомпозиции функции на уровне логической архитектуры, разработанной по методу ARCADIA).
Модель функций является единым источником данных о функциях изделия, например для:
- Оценки функциональной безопасности;
- Расчета надежности;
- Функционально-стоимостного анализа.
Модель функций является результатом реализации практики архитектурного проектирования.
Архитектурная модель — описание архитектуры, выполненное в виде модели. Архитектурная модель является формальным и исчерпывающим источником истины о мультидоменной архитектуре системы.
Архитектурная модель, в зависимости от способов и методик моделирования, в свою очередь может включать в себя:
- Модель эксплуатации;
- Модель жизненного цикла;
- Модель функций;
- Модель требований;
- Структурную модель;
- Описание потоков данных;
- Поведенческую модель (например, в виде конечных автоматов).
Архитектурная модель является результатом реализации практики архитектурного проектирования.
Модель, описывающая геометрию объекта с помощью геометрических элементов: точек, линий, поверхностей и тел.
Примером геометрической модели является твердотельная и поверхностная 3D-модель. 3D-модель является главным источником данных о форме и размерах изделия, а также о взаимном расположении его составных частей.
К поведенческим моделям относится широкий набор моделей различных видов, описывающих поведение модели во времени:
- Кинематические модели;
- Модели алгоритмов и логики управления;
- Динамические модели;
- др.
- Прочностные модели;
- Модели тепловых процессов;
- Модели гидродинамики и газодинамики;
- Мультифизические модели.
*В рамках MBSE существует множество методов и подходов к моделированию, и сами модели могут классифицироваться различными способами, поэтому, приведенный перечень моделей не является единственным или окончательным.
Ключевые идеи использования моделей в MBSE
- Модели могут быть как абстракциями, так и представлениями реальности, которые облегчают понимание сложных систем.
- В MBSE, модели и моделирование используются для сбора и формализация большей части данных, описывающих изделие на протяжении всего его жизненного цикла.
- Модели появляются и развиваются на протяжении всего ЖЦИ.
- Модели применяются как горизонтально, для поддержки жизненного цикла изделия, так и вертикально, для декомпозиции и интеграции в дисциплины реализации.
- Одна модель может уточнять другую модель - более высокого уровня абстракции.
- Модели могут и должны быть взаимосвязаны для обеспечения согласованности данных.
- Для MBSE важно наличие многопользовательских инструментов моделирования на основе репозиториев, которые предоставляют среду для точного и однозначного представления о частях системы, их поведении и взаимодействии.
- Моделями и моделированием нужно управлять, в противном случае в получите кладбище неактуальных моделей.
- Документы, как способ визуализации данных в установленной форме, формируются автоматизированно, как отчеты по моделям и их совокупности.
Переход на MBSE требует:
- вовлечения в процесс высшего руководства
- изменений в корпоративной культуре и мышления инженеров
- внедрения инструментов и методов моделирования
- внедрения инструментов и методов управления моделями
- налаживания интеграционных взаимодействий между моделями и системами моделирования
Преимущества MBSE
MBSE несет в себе все ключевые преимущества системной инженерии, плюс все преимущества датацентричного и моделе-ориентированного подхода.
Относительно классической системной инженерии MBSE дает следующие выгоды:
- Единый источник истины об изделии
Классический подход: Информация разбросана по сотням документов (Word, Excel, PowerPoint). Требования в одном файле, архитектура — в другом, схемы интерфейсов — в третьем. При изменении одного параметра инженерам приходится вручную обновлять все связанные документы, что неизбежно ведет к рассогласованию и появлению устаревших версий.
Преимущество MBSE: Вся информация о системе хранится в централизованной, структурированной модели. Изменение, внесенное в один элемент модели (например, требование), автоматически отражается во всех связанных с ним представлениях (архитектура, диаграммы состояний, тестовые сценарии). Это радикально снижает количество ошибок, вызванных неконсистентностью данных. - Раннее выявление ошибок и противоречий
Классический подход: Многие ошибки в проектировании и логические противоречия обнаруживаются только на этапе интеграции или тестирования, когда их исправление стоит крайне дорого.
Преимущество MBSE: Модель позволяет выполнять верификацию и анализ на ранних стадиях. Специальные инструменты могут проверять модель на соответствие правилам (например, "все требования должны быть выделены на функциональные блоки") и выявлять логические разрывы до того, как начата физическая реализация. Это экономит миллионы рублей и месяцы работы. - Повышение согласованности команд и улучшение коммуникации
Классический подход: Разные специалисты (менеджеры, системные инженеры, разработчики "железа" и ПО, тестировщики) видят систему через призму своих документов. Их ментальные модели могут сильно расходиться.
Преимущество MBSE: Модель — это формализованный и визуальный язык общения. Все участники проекта работают с одними и теми же данными, представленными в разных, но согласованных ракурсах (viewpoints). Это минимизирует недопонимание и обеспечивает, что все "поют с одного листа". - Управление сложностью через абстракцию
Классический подход: Освоить систему, описанную в 10 000 страниц текста, практически нереально. Сложность скрыта в объемах информации.
Преимущество MBSE: MBSE позволяет скрывать сложность, используя иерархию и абстракцию. Можно посмотреть на систему с высоты птичьего полета, а затем, щелкнув по элементу, "погрузиться" на следующий уровень детализации, не теряя связей с верхнеуровневыми целями. - Автоматизация рутины и генерация артефактов
Классический подход: Создание документации, отчетов, спецификаций — это ручной, трудоемкий и скучный процесс, подверженный ошибкам копирования.
Преимущество MBSE: Большинство необходимых документов (спецификации требований, ведомости интерфейсов, отчеты) могут быть автоматически сгенерированы из модели. Это не только экономит время, но и гарантирует, что документы всегда актуальны и соответствуют модели. - Поддержка всего жизненного цикла системы
Классический подход: Документы часто создаются под конкретную фазу (проектирование, разработка) и слабо используются на последующих (производство, эксплуатация, утилизация).
Преимущество MBSE: Единая модель является ценным активом на всем жизненном цикле. Например, на основе моделей поведения можно автоматически генерировать тестовые сценарии, а модель системы помогает обслуживающему персоналу понимать взаимосвязи компонентов при диагностике неисправностей.
Специалисты Группы компаний "ПЛМ Урал" обладает необходимыми компетенциями и опытом в постановке процессов MBSE, включающих :
- Поставку и внедрение необходимых инструментов моделирования (CASE, CAD, CAE ...)
- Поставку и внедрение необходимых инструментов управления моделями и моделированием (PDM, SPDM ...)
- Налаживание интеграционных взаимодействий между моделями и системами моделирования
- Формирование предложений по реинженирингу процессов проектирования на базе MBSE
- Внедрение необходимых процессов, методик;
- Разработку необходимых стандартов предприятия
- Обучение персонала;
- Сопровождение и технические консультации пользователей.
