Entwicklung einer Model-Based Systems Engineering Methodik zur Unterstützung der Validierung im Produktentstehungsprozess = Development of a Model-Based Systems Engineering Methodology to Support Validation in Product Engineering

Die Validierung nimmt eine zentrale Bedeutung in der Produktentstehung ein. Durch Validierung wird nicht nur der Erfolg eines Produkts am Markt gewährleistet. Es entsteht zudem Wissen, um die an das Produkt gestellten Erwartungen und Ziele über den Produktentstehungsprozess zu erweitern und zu konkretisieren. Validierung muss dabei kontinuierlich, durchgängig und nachvollziehbar im Produktentstehungsprozess erfolgen. Die steigende Komplexität und Interdisziplinarität in der Entwicklung heutiger und zukünftiger Systeme, beispielsweise für das automatisierte Fahren, bringt hierbei jedoch neue Herausforderungen. ... mehrUm den Umgang mit dieser steigenden Komplexität und Interdisziplinarität zu unterstützen, wird in einer Initiative durch Partner aus Industrie und Forschung sowie der acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, ein neuer ganzheitlicher Ansatz für die Produktentstehung, das Advanced Systems Engineering (ASE), erforscht und vorangetrieben. ASE zielt dabei vor allem auch auf die Unterstützung der Validierung. Insbesondere Model-Based Systems Engineering (MBSE), der Übergang von einer dokumentzentrierten hin zu einer modellbasierten Arbeitsweise, wird hierbei als zentraler Ansatz gesehen. Hinsichtlich des Einsatzes von MBSE zur methodischen Unterstützung der Validierung zeigen sich jedoch zwei zentrale Herausforderungen. Einerseits unterstützen bestehende MBSE-Ansätze die Validierung bislang nicht ausreichend. Andererseits mangelt es MBSE-Ansätzen an Akzeptanz in der (industriellen) Anwendung.
In dieser Arbeit wird eine ganzheitliche MBSE-Methodik zur Unterstützung der Validierung im Produktentstehungsprozess entwickelt. Diese baut auf dem Modell der SGE – Systemgenerationsentwicklung nach Albers auf und umfasst vier Kern-bestandteile. Zunächst eine Modellierungssprache, welche im Stand der Forschung und in der KaSPro – Karlsruher Schule für Produktentwicklung, verwendete Begriffe zur Beschreibung der Validierung sowie deren Beziehungen konsolidiert. Zweitens eine Modellierungsmethode, aufbauend auf dem IPEK-X-in-the-Loop-Ansatz, um die Synthese und Analyse von Systemmodellen zu unterstützen. Drittens ein Architekturframework, um eine produkt- und generationsübergreifende Struktur für Systemmodelle zu etablieren. Schließlich eine Implementierung aller Kernbestandteile in einer (Software-)Tool Umgebung. Anhand von Fallbeispielen aus der Praxis zeigt sich, dass die entwickelte MBSE-Methodik einen Beitrag zur Kontinuität, Durchgängigkeit und Nachvollziehbarkeit der Validierung im Produktentstehungs-prozess leisten kann. Zudem zeigen Analysen mit Unternehmenspartnern das Potenzial der MBSE-Methodik zur Steigerung der Akzeptanz von MBSE-Ansätzen im Vergleich zum Stand der Forschung. Dieses Potenzial wird in der Untersuchung eines Schulungskonzepts zur entwickelten MBSE-Methodik bestätigt. Bereits laufende Forschungsarbeiten zeigen zudem Erweiterungsmöglichkeiten der MBSE-Methodik um zusätzliche Anwendungsfelder, wie ein modellbasiertes Änderungsmanagement.

Validation plays a central role in product engineering. Validation not only ensures the success of a product in the market. It also creates knowledge that is used to expand and concretize the expectations and goals placed on the product throughout the product development process. Validation must take place continuously, consistently and traceable throughout the product development process. However, the increasing complexity and interdisciplinarity in the development of current and future systems, for example for automated driving, leads to new challenges. In order to support the handling of this increasing complexity and interdisciplinarity, a new holistic approach for product development, Advanced Systems Engineering (ASE), is being researched and advanced in an initiative by partners from industry and research as well as acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften. ... mehrASE is, amongst others, particularily aimed at supporting validation. In particular, Model-Based Systems Engineering (MBSE), the transition from a document-centric to a model-based approach, is seen as a central approach here. However, with regard to the use of MBSE for methodological support of validation, two central challenges become apparent. On the one hand, existing MBSE approaches do not sufficiently support validation so far. On the other hand, MBSE approaches lack acceptance in (industrial) application.
In this thesis, a holistic MBSE methodology is developed to support validation in the product development process. The methodology builds on the foundation of the model of SGE - System Generation Engineering according to Albers and comprises four core components. First, a modeling language that consolidates terms used in the state of research and in the KaSPro - Karlsruhe School for Product Development as well as their relationships, to describe validation. Second, a modeling method, based on the IPEK-X-in-the-loop-approach, to support the synthesis and analysis of system models. Third, an architecture framework to establish a cross-product and cross-generation structure for system models. Finally, an implementation of all core components in a (software) tool environment. Case studies from practice show that the developed MBSE methodology can contribute to the continuity, consistency and traceability of validation in the product development process. In addition, analyses with company partners show the potential of the MBSE methodology to increase the acceptance of MBSE approaches compared to the state of the art. This potential is confirmed in the investigation of a training concept for the developed MBSE methodology. Further research work already in progress also shows possibilities for extending the MBSE methodology to include additional fields of application, such as model-based change management.