Model Based System Engineering (MBSE)

Digitální revoluce v návrhu komplexních systémů

Ke slovnímu spojení Model Based System Engineering se v češtině těžko hledá dobře znějící alternativa. Proto budeme v další části textu používat jen zkratku MBSE. Takže: v éře digitální transformace se organizace stále častěji obracejí k MBSE, jako k efektivní metodice pro návrh, validaci a správu komplexních systémů. MBSE nahrazuje tradiční dokumentační přístup inteligentními digitálními modely, které slouží jako jednotný zdroj pravdy napříč celým životním cyklem produktu – od prvotních požadavků až po nasazení a údržbu.

Od statických dokumentů k digitálním modelům

Dříve se systémy navrhovaly pomocí rozsáhlé dokumentace – výkresů, textových požadavků a tabulek – což vedlo k roztříštěné komunikaci, chybám v interpretaci a nízké flexibilitě při změnách. MBSE tento přístup mění:

• Digitální modely obsahují vše – od požadavků přes architekturu až po rozhraní
• Automatizované návaznosti umožňují okamžitou aktualizaci a validaci
• Digitální vlákno propojuje všechny inženýrské domény a zachovává kontinuitu dat

Proč se v souvislosti s MBSE používá slovo „systém“?

V inženýrství znamená „systém“ soubor spolupracujících prvků, které dohromady plní nějakou složitější funkci – může jít o fyzické komponenty, software, lidi, procesy nebo jejich kombinaci.

V kontextu MBSE se „systém“ nevztahuje jen na výrobek (např. auto, letadlo nebo čip), ale na celou jeho architekturu, tedy:

• z jakých částí se skládá,
• jaké má funkce,
• jaké má rozhraní,
• jak reaguje na okolní prostředí,
• jak splňuje požadavky zákazníků nebo regulací.

Použití slova „systém“ tedy odráží šířku a složitost toho, co navrhujeme – MBSE se používá pro tzv. system-of-systems: např. letadlo + pozemní řízení + mise + software + síťová komunikace + kybernetická bezpečnost.

A jaký má v kontextu MBSE význam slovo „model“?

V MBSE je model digitální reprezentací systému, která umožňuje:

• vizualizovat strukturu a chování systému (např. blokové diagramy, tok signálů, stavové automaty),
• zachytit požadavky a jejich návaznosti na komponenty,
• provádět analýzy a simulace (např. pevnostní, proudové, bezpečnostní),
• ověřit funkčnost, bezpečnost nebo výkon systému ještě před výrobou.

Model v MBSE není jen obrázek – je to formálně definovaný a strojově čitelný soubor informací, často vytvořený v jazyce jako SysML. Umožňuje automatické sledování dopadů změn, validaci návrhu a propojení s výpočty i dokumentací.

Například:

• model letadla může obsahovat všechny vztahy mezi křídlem, palivovým systémem, ovládáním a softwarem,
• model zdravotnického zařízení může zahrnovat logiku výstrah, reakce na chyby a interakce s pacientem.

Mimo model, co dalšího je nutné pro pochopení MBSE?

Pro pochopení MBSE jsou důležité tyto oblasti:

Detaily oblastí rozpracujeme v dalších příspěvcích.

MBSE v podání Ansys

Klíčové stavební bloky MBSE

1. Systémový architektonický model (SAM) – vizualizuje a definuje funkční a fyzickou architekturu systému včetně interakcí mezi komponentami.
2. Multifyzikální simulace – prověřují návrh z hlediska mechaniky, proudění, elektromagnetismu, bezpečnosti nebo softwaru.
3. Centrální výpočetní infrastruktura – zajišťuje správu, výpočty a archivaci dat v souladu s principy digitální kontinuity.

Jednotlivá řešení Ansys

Společnost Ansys nabízí moderní přístup k MBSE postavený na jazyku SysML v2 a s možností spolupráce v cloudu. Prostřednictvím ModelCenter lze model SAM propojit s řadou špičkových simulačních nástrojů:

Tento integrovaný ekosystém umožňuje validaci návrhu ještě před výrobou fyzického prototypu, čímž snižuje náklady, zkracuje vývojový čas a zvyšuje kvalitu výstupu.

Případová studie

Představme si situaci, kdy letectvo vyhlásí zakázku na návrh nového letounu, který dokáže uletět 3 000 mil na jednu nádrž paliva. Letoun je možné navrhnout, postavit a otestovat tradičním způsobem – nebo využít modelově orientovaný přístup (MBSE).

Pokud se rozhodnete využít metodiku MBSE, nejprve vytvoříte systémový architektonický model (SAM), který zachycuje všechny klíčové požadavky na letoun – včetně toho, že musí zvládnout 3 000 mil bez mezipřistání. Následně SAM použijete k popisu plánovaného návrhu: systémové architektury, požadovaného chování, rozhraní mezi komponentami a dalších specifikací. V tomto bodě použijete simulace k ověření, zda návrh splňuje všechny fyzikální a funkční požadavky. Simulace zahrnují například:

• proudové simulace pro posouzení aerodynamiky,
• strukturální simulace pro ověření mechanické pevnosti,
• elektromagnetické simulace pro verifikaci funkce komunikačních zařízení atd.

Pro ještě komplexnější aplikace založené na misi mohou inženýři využít digitální misiční inženýrství, které umožňuje simulovat složitou architekturu „systému systémů“, jaká je typická pro moderní mise v oblasti letectví a obrany. Digitální misiční inženýrství kombinuje digitální modelování, simulaci, testování a analýzu pro aplikace v letectví, obraně, telekomunikacích a zpravodajství – a umožňuje vyhodnocovat výsledky mise v každé fázi životního cyklu systému. Tyto mise často zahrnují stovky systémů na zemi, ve vzduchu, na vodě i ve vesmíru, které musí mezi sebou komunikovat a koordinovat své činnosti. Simulace pomocí digitálního misičního inženýrství umožňuje inženýrům a armádním specialistům virtuálně provést komplexní misi s využitím simulací založených na fyzikálních modelech – a získat tak důvěru v její proveditelnost.

V reálném příkladu společnost Lockheed Martin Space využila MBSE společně se softwarem ModelCenter pro simulaci trajektorie mise kosmické sondy OSIRIS-REx, jejímž úkolem bylo odebrat vzorek z asteroidu v rámci operace „touch-and-go“.

Standard MBSE v obranném průmyslu

Americké ministerstvo obrany formálně zavedlo MBSE jako povinný rámec pro návrh obranných systémů prostřednictvím směrnice DoDI 5000.97. Tím se MBSE stalo páteří programů jako:

• NGAD (Next Generation Air Dominance)
• FVL (Future Vertical Lift)
• Digital Shipyard Initiative

Přesah do dalších odvětví

MBSE nachází uplatnění i mimo obranný sektor – v automobilovém průmyslu (např. autonomní řízení), polovodičích, medicínských technologiích, energetice, chytrých sítích a 5G komunikacích. Všude tam, kde je potřeba sladit komplexní požadavky, rychle iterovat návrh a zajistit absolutní kontrolu nad vývojem.

Další možnosti nasazení MBSE přineseme v dalších příspěvcích. Ale pokud máte už nyní dotazy na téma MBSE, neváhejte se na nás obrátit.