Modellbasierte Entwicklung als Schlüssel zur Effizienz

Digitalisierung und Automatisierung sind inzwischen in aller Munde. Doch wie weitreichend sie inzwischen in unserem Alltag verankert sind, ist den meisten Menschen kaum bewusst. Selbst fern ab aller Smartphones funktioniert heutzutage kaum noch etwas ohne digitale Hilfe. Eine der Branchen, die hier naturgemäß eine Vorreiterrolle inne hat, ist die Automobilindustrie. Es ist nur noch eine Frage der Zeit, bis Autos sich selbstständig durch den Verkehr bewegen werden. Doch was alles hinter der Entwicklung von Fahrassistenzsystemen sowie halbautonomem oder vollautonomem Fahren steckt, ist den wenigsten bewusst. Kunden bestellen Komfort und die damit verbundenen neuesten intelligenten Systeme, den Rest erledigen die Hersteller. Bis allerdings ein Fahrzeug vom Band läuft, ist es ein weiter Weg. Autos basieren auf komplexen elektronischen Systemarchitekturen, deren Steuergeräte eine Vielzahl von Funktionen übernehmen müssen. Es gilt aus dem Dreikampf zwischen Mechatronik, Elektronik und Software einen wohlklingenden Dreiklang zu machen. Wie das gelingen kann, erläutern die Experten der Technologieberatung Zielpuls GmbH ihren Kunden aus der Branche dank ihrer vielfältigen Kompetenzen in diesem Bereich. Für eine bestmögliche Beratungsleistung tauschen sich die Fachmänner und -frauen von Zielpuls regelmäßig untereinander aus. In diesen Expertenrunden geht es selbstverständlich viel um technische Aspekte und Lösungsansätze, allerdings ist eine der zentralen Fragestellungen auch, welche Bedeutung die Entwicklungen für den Kunden haben.

Modellbasierte Entwicklung – eine ferne Vision?

Was in mechanischen Designprozessen längst gang und gäbe ist – nämlich ein anschauliches CAD-Modell, das das Fahrzeugs bis ins kleinste Detail darstellbar macht – ist auf der Ebene des System Engineerings noch eine ferne Zukunftsvision. Dabei würde die modellbasierte Entwicklung eine Vielzahl von Erleichterungen bringen. „Ein gutes Systemmodell gibt der Entwicklung Sicherheit und bessere Planungstreue“, ist sich Zielpuls-Beraterin und Mechatronikexpertin Dr. Evelin Tscheslog sicher. Ein ganz wesentlicher Aspekt ist die Erhöhung der Effizienz auf allen Ebenen. „Eine rein textbasierte Spezifikation ist schlichtweg nicht mehr möglich, denn die Anforderungen an die Systemarchitektur eines Fahrzeugs sind viel zu komplex“, erläutert Daniel Einicke, Zielpuls-Experte für autonomes Fahren. Dennoch geht der Einführung des modellbasierten System Engineerings (MBSE) die Überwindung einer Reihe von Hürden voraus. „In der Frühphase ist der Benefit nur schwer zu erkennen, da am Anfang die Bewältigung einer neuen Aufgabe steht, die zunächst als Mehraufwand angesehen wird“, schildert Zielpuls-Experte für Elektrik und Elektronik, Patrick Tassi. „Das ist zunächst abschreckend, denn die Organisationsstrukturen in den meisten Unternehmen sind darauf nicht ausgelegt und die modellbasierte Entwicklung funktioniert nur, wenn wirklich alle beteiligten Organisationseinheiten an einem Strang ziehen.“ Das ist leider häufig nicht der Fall, stellen die Zielpuls-Berater bei ihren zahlreichen Projekten immer wieder fest. „Die Tatsache, dass der Arbeitsalltag von einem hohen Termindruck bestimmt wird, stark projektgesteuert ist, die Strukturen und Abläufe fachspezifisch organisiert sind und parallel ablaufen, erschwert die übergreifende Zusammenarbeit“, erläutert Patrick Schalast, Senior Projektmanager bei Zielpuls. Das Fazit: Was im Tagesgeschäft gut zu funktionieren scheint, schafft leider kaum die Freiräume, die nötig sind, um neue Arbeits- und Gedankenmodelle für MBSE zu entwickeln und einzuführen. Die im ersten Schritt kaum erkennbare Effizienzsteigerung verlangsamt den Fortschritt eines konsequenten modellbasierten System Engineerings zusätzlich. „Neuland zu betreten und gleichzeitig auch die Methode zu ändern, erfordert Mut – vor allem im Hinblick darauf, dass ja Vergleichswerte bislang fehlen“, weiß Dr. Evelin Tscheslog.

Der Blick von außen schafft Klarheit

Um eine neue Methode in einem Unternehmen einzuführen, müssen zunächst ganz grundlegende Begrifflichkeiten geklärt werden. „Oft fehlt ein abteilungsübergreifendes Wording, sprich die Einheitlichkeit der Begrifflichkeiten“, schildert Projektmanager Johannes Esterer seinen Alltag beim Kunden. „Hier muss zunächst einmal geklärt werden, wer die Deutungshoheit hat bzw. welcher Begriff am besten passt.“ Das kennen auch seine Zielpuls-Kollegen. Deswegen sind sie sich sicher, dass der Blick von außen hilft, Klarheit zu schaffen. „Wenn wir neu in ein Unternehmen kommen, ecken wir manchmal richtig an“, erzählt Patrick Schalast, „doch das ist normal, wenn verschiedene Kulturen zusammenkommen.“ Hier sehen die Zielpuls-Experten, neben ihrem fachlichen Know-how, auch eine ihrer wesentlichen Beratungsleistungen. Sie sind geschult darin, Schwachstellen zu identifizieren und die sich anschließenden Optimierungsprozesse entsprechend zu moderieren und zu strukturieren. „Wir sensibilisieren auf allen Ebenen, denn wir wissen, der anfängliche Mehraufwand wird sich am Ende der Implementierung mehr als auszahlen“, ist sich Patrick Tassi sicher. „Wir schärfen den gesamtorganisatorischen Blick, indem wir zusammen mit den Mitarbeitern eine gemeinsame Sprache finden, einheitliche Standards schaffen und letztlich einen neuen Prozess entwickeln, der sich entlang des zentralen Modells orientiert,“ beschreibt Patrick Schalast.

Gefragt ist die Chefetage

Sind die Grundlagen und die Prozesse geklärt, gilt es die Methodik und den Einsatz von entsprechenden Tools zu bestimmen. „Die Einführung eines MBSE-Ansatzes erfordert ein gut geschultes Wissen über Modellierung sowie dessen Anwendung in Tools. Deren Verwendung und die Einrichtung von Schnittstellen zu anderen Systemen bedeuten in der Implementierung wiederum einen erheblichen Aufwand“, fasst Johannes Esterer die Herausforderungen zusammen. Auch hier muss noch viel Überzeugungsarbeit geleistet werden. Dabei sind vor allem die Entscheidungsträger in den Chefetagen gefragt, da der Mehraufwand zunächst mit Mehrkosten verbunden ist. „Doch ist das modellbasierte System Engineering erst einmal umgesetzt, lassen sich an zahlreichen Stellen Kosten optimieren und die Effizienz deutlich steigern“, ist Dr. Evelin Tscheslog überzeugt.
Für sie und ihre Zielpuls-Kollegen liegen die Vorteile klar auf der Hand: Liegt ein derartiges Systemmodell vor, erübrigen sich viele mühsame Schritte und Prozesse einfach aufgrund seiner Wiederverwendbarkeit. Das ist kostensparend, denn die im Entwicklungsprozess notwendigen Systembeschreibungen, für zum Beispiel so unterschiedliche Analysen wie die Untersuchungen zur Gebrauchssicherheit und die Optimierungen von Hardware-Ressourcen, wurden bislang weitgehend unabhängig und mehrfach erarbeitet. Dies entfällt mit einem zentralen Systemmodell schlichtweg. Hinzu kommt, dass diese fachspezifischen Analysen bis hin zur Software-Architektur durch das einheitliche Modell eine bis dato nicht erreichte Konsistenz aufweisen. Aus der sich ergebenden Robustheit und Nachvollziehbarkeit der Entwicklung komplexer, verteilter Systeme erwächst wiederum eine zusätzliche Kosteneffizienz.

Das Modell als umfassendes Netz

Soll etwa die Funktions- und Softwarearchitektur für ein Steuergerät modelliert werden, das Funktionen aus verschiedenen Fachbereichen, wie zum Beispiel Fahrwerk und Fahrerassistenz, verbindet, lässt sich das auf analogem Wege kaum abbilden. Der modellbasierte Ansatz hingegen ist in der Lage, den durchgängigen Pfad von der Kundenfunktion bis zur Softwarekomponente darzustellen. Dieses Modell kann genutzt werden, um zum einen die Funktionen dieser einen Komponente zu beschreiben, vor allem aber auch um technische Details hinzuzufügen und letztlich ein umfassendes Netz aus System-, Hardware und Softwarekomponenten zu visualisieren, diese auch formal zu verifizieren und das Gesamtmodell zu optimieren. Somit können schon in einer frühen Phase Entscheidungen getroffen und möglicherweise notwendige Änderungen umgesetzt werden. All das spart Zeit und Kosten.

Der Mitarbeiter im Mittelpunkt

Den Zielpuls-Experten ist neben dem technologischen, noch ein weiterer, wesentlicher Vorteil des modellbasierten System Engineerings wichtig: der zwischenmenschliche. „Die Verwendung einer gemeinsamen Sprache erleichtert die Abstimmung und mindert Frustration auf vielen Ebenen“, erläutert Johannes Esterer. Durch die Verwendung eines derartigen Modells werden Verantwortlichkeiten eindeutig zugewiesen. Zudem können die Entwicklungsprozesse entlang des Modells beschrieben und dadurch für alle Mitarbeiter klar definiert werden.

Die Norm als Zugpferd

Trotz all der Vorteile des MBSE-Ansatzes wird es – darin sind sich die Zielpuls-Experten einig – noch einige Jahre dauern, bis er endgültig Einzug in die Automobilbranche gefunden hat. „Modellbasiertes System Engineering ist eine Querschnittsdisziplin, die eigentlich jeder Naturwissenschaftler anwenden können sollte,“ ist Johannes Esterer überzeugt. Leider ist das Thema an den deutschen Universitäten noch zu wenig vertreten. Sein Kollege Patrick Tassi hofft auf den Zugzwang, den die Digitalisierung auch weiterhin ausüben wird. „Die Anforderungen werden derart steigen, dass den Entwicklern nichts anderes übrig bleiben wird als mit MBSE zu arbeiten.“ Die Zielpuls-Experten sehen die bestehende Norm ISO 15288 als eine treibende Kraft bei der Einführung von MBSE durch Automobilhersteller und -zulieferer. Zudem setzen sie auf die zunehmende Verbreitung von SYSML als Standardmodellierungssprache, die in Zukunft branchenübergreifend genutzt wird.
„Im Bereich der Vorentwicklung wird sich dies leichter umsetzen lassen, doch der Übertrag auf die Serienentwicklung wird noch eine große Herausforderung“, sagt Patrick Schalast. Nichtsdestotrotz formuliert Daniel Einicke die übergeordnete Vision folgendermaßen: „Wir kommen in ein Unternehmen und finden dort ein Systemmodell vor, in dem man sich sofort zurechtfindet.“ Daran wollen die Zielpuls-Experten gemeinsam mit ihren Kunden arbeiten.