Systems Engineering - Siemens PLM Grundlage dieses Hintergrundtextes war ein Gespräch mit Dr. Stefan Jockusch, Vice President, Automotive Industry Strategy Siemens PLM Software. Er war zuvor Leiter Forschung und Entwicklung bei Dematic und davor General Manager Solution Provider bei Siemens Production & Logistics Systems. Eines seiner Hauptthemen in den letzten Jahren ist die Unterstützung einer System-getriebenen Produktentwicklung in der Automobilindustrie. (Foto Sendler, alle Screenshots Quelle Siemens)

Das Wichtigste in Kürze Siemens PLM Software befasst sich schon seit vielen Jahren mit Systems Engineering. Teamcenter Systems Engineering (TCSE) ist bei etlichen großen Unternehmen im Einsatz. Nach den Kunden der Flugzeugindustrie interessieren sich in den letzten Jahren zunehmend auch die Automobilhersteller und die Tier1 Zulieferer für Methoden des Systems Engineering. Und auch der Maschinen- und Anlagenbau wurde zum Zielmarkt für modellbasierte Entwicklung multidisziplinärer Systeme. Für Siemens PLM Software ist der wichtigste Aspekt der Tool-Unterstützung von Systems Engineering das effektive Management und die schnelle Verfügbarkeit aller zu einem technischen System gehörenden Daten und ihrer Beziehungen untereinander. Die kommende Version Teamcenter Unified Architecture (TCUA) Version 9.1 unterstützt dies und ermöglicht darüber hinaus die systematische, modellbasierte Definition von Funktionalität und logischer Architektur. Active Workspace wird das Fenster zu diesen Daten. Da in allen – und besonders in den komplexen – Industrien eine Vielzahl von Modellen und ITWerkzeugen im Einsatz ist, um Teile der technischen Systeme zu entwickeln, ihre Funktion zu simulieren und ihre Übereinstimmung mit den an sie gestellten Anforderungen zu validieren, betrachtet Siemens die Offenheit der IT-Werkzeuge untereinander als wesentliche Grundvoraussetzung für erfolgreiches Systems Engineering. Eine besondere Herausforderung sieht Siemens in der Einbeziehung der Software und der unterschiedlichen Systemmodelle in das Management der Systemdaten. Das Ziel ist eine ähnliche Abbildung der Softwarekomponenten wie heute bereits der mechanischen Komponenten. Hier arbeitet Siemens intensiv mit Anbietern entsprechender Tools zusammen. Mit Mechatronic Concept Designer hat Siemens eine der ersten integrierten, mechatronischen Entwicklungsplattformen für die parallele Entwicklung von Design und Verhalten auf den Markt gebracht. Im Maschinenbau erfreut er sich wachsender Beliebtheit.

Systems Engineering hat eine lange Geschichte – auch bei Siemens Das Kürzel „RFLP“ (Requirements, Functional, Logical and Physical view) war bereits seit den Achtzigerjahren eine bekannte Beschreibung der Kernelemente von Systems Engineering. Eine Präsentation von Boeing auf der PLM World 2006 trug die Überschrift: „What is Functional Integration?“ Darunter stand: „Integrate Requirements, Functional, Logical, and Physical Architectures”. Damals hatte Boeing eine einfach anmutende, aber höchst effiziente Maßnahme getroffen, um die Fehlerquote im Zusammenwirken der Abertausende von Komponenten in einem Flugzeug zu verringern. In einer Matrix hatte jeder Beteiligte an der Entwicklung zwei Sichten: Er konnte sich als „Subscriber“ für bestimmte Komponenten eintragen, um zu sehen, welchen Stand diese für ihn wichtigen Elemente hatten. Und er trug sich als „Publisher“ der eigenen Entwicklung ein. Das sensationelle Ergebnis dieser simplen

Herstellung faktischer Zusammenhänge: Von einer Produktreihe zur nächsten sank die Zahl der festgestellten Fehler von circa 16.000 auf: Null! „Den Flugzeugherstellern“, sagt Stefan Jockusch, „brauchen Sie nicht erklären, warum Systems Engineering notwendig ist. Die machen das schon lange und können gar nicht anders. Und dabei war im ersten Schritt nur der Zusammenhang zwischen „R“ und „L“, also zwischen den Anforderungen und den logischen Bauteilen oder Baugruppen im Blick. Noch nicht die Funktion und deren Simulation und Validierung während der gesamten Systementwicklung.“

In derselben Zeit wurde in der Automobilindustrie die Methode Systems Engineering sehr skeptisch betrachtet. Zu bürokratisch sei das, viel zu langsam. Die Produktstruktur eines Fahrzeugs habe man sehr gut im Griff. Aber innerhalb der letzten drei Jahre hat sich diese Sicht radikal gewandelt. Die Komplexität des Gesamtfahrzeugs und der ständig steigende Zwang, immer mehr Komponenten auf immer kleinerem Raum mit immer weniger Gewicht und immer höheren Qualitätsanforderungen zusammenzufügen, war der eine Grund. Der andere: Heute ist in jedem Mittelklassefahrzeug mehr Quellcode enthalten als in einem Flugzeug. In der Luftfahrt- und Verteidigungsindustrie waren es die langen Lebenszyklen und die Größe der Systeme, die zu neuen methodischen Ansätzen führten. In der Automobilindustrie der wachsende Druck, den richtigen Mittelweg zwischen widersprüchlichen Anforderungen zu finden, sowie die ständig wachsende Rolle der Software. Um den Blick von Siemens auf die Branchen zu vervollständigen: Mittlerweile sucht auch der Maschinenund Anlagenbau, aber auch Hightech, Medizintechnik und alle möglichen anderen Industrien nach praktikablen Methoden, ihre komplexer werdenden technischen Systeme zu beherrschen. Für Siemens PLM Software erwuchs daraus die Anforderung, entsprechende IT-Werkzeuge zu entwickeln, die das möglichst gut unterstützen können. Und dabei musste der Anbieter nicht von vorn anfangen und etwas völlig Neues erfinden. Denn in Zusammenarbeit zuerst mit den Flugzeugbauern und dann mit der Automobilindustrie waren bereits zahlreiche Schritte in diese Richtung gemacht. Das System, auf dessen Grundlage Boeing seinerzeit entwickelte, hieß zunächst SLATE. Es war die ursprüngliche Basis für das Modul TCSE in Teamcenter UA 9.1.

Von der Mechanik zum technischen System Wie bei den anderen Anbietern von IT für Engineering und PLM ist auch bei Siemens PLM Software der ursprüngliche Kern der Software eindeutig: Es ging um die Ordnung, Verwaltung und das sichere Management von Produktdaten, und hier insbesondere um die Produktgeometrie. Mit der Beherrschung der Geometrie war das überlebenswichtige Problem gelöst, denn die Funktionen und Eigenschaften der Produkte beruhten in erster Linie auf der korrekten physikalischen Verknüpfung der Einzelteile und Baugruppen.

Bei multidisziplinären, technischen Systemen hat sich dies grundlegend gewandelt. Die wenigsten Funktionen sind heute rein mechanisch realisiert. Die meisten sind eine Kombination aus Software, Elektronik und Mechanik, und dies zunehmend unter Einbeziehungen von Systemen außerhalb des Fahrzeugs – wie das von der Automobilindustrie initiierte Car-to-Car-Communication-Consortium belegt. Deshalb ändert sich auch bei Siemens PLM Software in den letzten Jahren der Fokus für das ProduktLebenszyklus-Management: Künftig muss die IT dabei helfen, den Lebenszyklus komplexer technischer Systeme vollständig zu erfassen und zu managen. Dazu gehören die mechanischen Komponenten ebenso wie die elektrischen und elektronischen. Und vor allem die Software.

Stefan Jockusch: „Das Entscheidende, was sich ja schon damals bei Boeing herausgestellt hat, ist, bei einem komplexen System den Überblick auf die Hunderte oder Tausende von Bestandteilen zu behalten. Zu wissen, was wo von wem zu welchem Zweck entwickelt - oder noch wichtiger: verändert – wird, und wie es mit welchen anderen Teilen zusammenwirkt. Genau das können wir sehr gut. Kaum eine andere Disziplin hat es im Management der Daten zu solcher Perfektion gebracht wie die Mechanik. Und was wir bei CAD schon sehr gut beherrschen, das wenden wir jetzt auch auf Software und Elektronik an. (Dr. Stefan Jockusch, Foto Sendler) Als Beispiel nennt er das Revisionsmanagement. Viele Managementsysteme, ob in der Simulation oder in der Softwareentwicklung, kennen zwar die Versionierung, also das Hochzählen von Versionsnummern. Aber die Unterscheidung zwischen einer Variante, bei der sich nur ein Teil geändert hat, die aber weiterhin beispielsweise als Ersatzteil an Stelle der älteren verwendet werden kann, und einer neuen Version, die nicht mehr abwärtskompatibel ist, ist hier selten. In der Mechanik dagegen war das eines der entscheidenden Merkmale, in denen sich PDM – also Produktdaten-Management – von DokumentenManagement unterschied. Aber neben der Ausdehnung des Datenmanagements auf Komponenten anderer Fachbereiche wie ETechnik/Elektronik/Software (E/E/SW) gibt es eine weitere grundlegende Veränderung: Die Berücksichtigung und Analyse der Anforderungen an ein System und der Entwurf der passenden Systemarchitektur kommen zur Entwicklung der Komponenten hinzu und müssen ebenso beherrscht werden können wie das Management der Komponenten. Auch dazu ist, so Stefan Jockusch, PLM-Software geradezu prädestiniert. Denn auch beim System geht es darum, Daten (Anforderungen, Funktionsbeschreibungen, Logikpläne) und vor allem ihre Beziehungen untereinander sicher zu verwalten und jederzeit verfügbar zu machen. Im Laufe der letzten zehn Jahre hat die heutige Siemens PLM Software in enger Zusammenarbeit mit den großen Kunden der Flugzeug- und

Automobilbranche die heutige Plattform Teamcenter bereits um etliche Module und Funktionen erweitert. Insbesondere wurde das Datenmodell selbst den neuen Bedingungen Zug um Zug angepasst. Stefan Jockusch: „So gibt es heute eben nicht nur Datentypen für geometrische Elemente aller Art, sondern zum Beispiel auch einen Datentyp Prozessor, einen Datentyp Signal, einen Datentyp Message oder einen Datentyp Firmware, um nur einige herauszugreifen, die für mechatronische Systeme selbstverständlich benötigt werden. Um die richtigen Entscheidungen zu treffen, müssen Ingenieure die Abhängigkeiten zwischen diesen Artefakten verstehen und leicht ermitteln können, wie sich eine Änderung auf die wesentlichen Eigenschaften des Fahrzeugs auswirkt. All diese Datentypen können mit Attributen versehen werden. Darin stehen dann zum Beispiel die Revisionsnummer, bestimmte Eigenschaften, Abhängigkeiten von anderen Elementen und so weiter. Und wie bei den mechanischen Produkten muss auch beim System am Ende eine Stückliste stehen, in der alle Komponenten der jeweiligen Produktvariante exakt in der richtigen Revision gelistet sind. Denn auch das technische System muss schließlich produziert und montiert werden.

Modellbasierte Systementwicklung ist offene Teamarbeit Die Funktion moderner Produktsysteme steckt mittlerweile zum allergrößten Teil in der Software, die in die Komponenten eingebettet wird. Wie schnell das Fahrzeug fährt, wie gut die Bremse funktioniert, Assistenzsysteme für den Fahrer – die Software steuert nahezu alles. Diese Tatsache wird noch verstärkt in dem Maße, wie sich die Intelligenz der Systeme zum „Internet der Dinge“ weiterentwickelt. Kommunikation von Produkten miteinander, mit ihren Nutzern und der Umwelt über das Internet oder spezielle Netze verändern unsere Welt, unseren Verkehr, unser Verhalten in den kommenden Jahren vermutlich noch dramatischer als der Computer dies in den letzten 50 Jahren getan hat. Umso wichtiger wird es für die IT-Werkzeuge, die in der Produktentwicklung zum Einsatz kommen, dass sie mit der Software ebenso gut umgehen können, wie bisher etwa mit 3D-Modellen der Mechanik.

Siemens arbeitet hier seit einigen Jahren neben anderen intensiv mit IBM zusammen, dem Hersteller von Rational ClearCase, einem der ältesten und führenden Systeme für die Softwareentwicklung. Und dabei ist eine Funktionalität entstanden, die noch über die übliche Integration von Metadaten hinausgeht. Stefan Jockusch; „Die Integration mit ClearCase geht so weit, dass der Benutzer aus Teamcenter heraus einen Sourcecode mit ClearCase direkt anfassen kann. So wie ich über Teamcenter ein 3D-Modell mit NX oder einem anderen System editieren kann, so kann ich jetzt auch einen Quellcode mit ClearCase öffnen, auschecken, bearbeiten und wieder einchecken. So hat Teamcenter in diesem Fall jetzt regelrecht die Fernsteuerung für die Softwareentwicklungsumgebung übernommen. Wobei die Datenhaltung selbst nach wie vor in ClearCase stattfindet. Aber die Beziehungen zwischen den Softwarebausteinen und zwischen

der Software und den anderen Teilen eines Systems verwaltet Teamcenter.“ Zur Entwicklung der Systeme gehören aber nicht nur die Software, sondern auch zahlreiche Modelle, die jeweils bestimmte Aspekte eines Systems beschreiben. Unter Umständen können sie auch ausführbare Modelle sein, die dann die Simulation und den Test der beschriebenen Systeme oder Subsysteme gestatten. Bis heute gibt es noch kein umfassendes Modell, das alle Aspekte eines Systems umfasst und dann Sichten aus verschiedenen Perspektiven beziehungsweise auf verschiedene Teilaspekte erlaubt. Stattdessen existieren in der Industrie nach Einschätzung von Stefan Jockusch gut 50 verschiedene Arten von Systemen, mit denen unterschiedlichste Modelle erzeugt und/oder simuliert werden. Von den eingesetzten IT-Werkzeugen seien etwa zwei Drittel kommerzielle, der Rest Eigenentwicklungen. Aber auch die Standardsysteme seien vielfach so stark an die unternehmensspezifischen Bedürfnisse angepasst, dass sie fast die Qualität von Eigenentwicklungen hätten. Daher sei ein in sich geschlossenes, mechatronisches Entwicklungssystem heute noch Zukunftsmusik. Ganz abgesehen davon – möchte man hinzufügen – dass die dadurch ja auch entstehende Abhängigkeit von einem einzelnen Anbieter für die Industriekunden auch wenig erstrebenswert wäre.

Siemens jedenfalls sieht sich in der Pflicht, den Kunden dabei zu helfen, alle wichtigen Systeme gut integrieren und miteinander verwenden zu können. In diesen Zusammenhang gehören einige Dinge, die erst in der letzten Zeit weiterentwickelt wurden. Beispielsweise die Integration von Matlab & Simulink (der Hersteller ist Mathworks) ermöglicht die Verwaltung und Datenhaltung der Modelle bis hinunter auf ihre Basisbausteine, die sogenannten Building Blocks. Auf diese Weise können aus den gespeicherten Bausteinen wieder größere Modelle erzeugt werden. Dieser Schritt bedeutet für zahlreiche SiemensKunden einen unmittelbaren Fortschritt. Sie haben bisher die Matlab-Modelle in ClearCase verwaltet, das sich für das Datenmanagement nicht wirklich gut eignet. Die Bedeutung liegt auch darin, dass Tausende von Spezialisten in der Industrie – sowohl Flugzeugbau als auch Automotive – seit Jahrzehnten mit diesen

Systems arbeiten. Am Beispiel eines führenden Automobilherstellers erläutert Stefan Jockusch, welche Konsequenzen diese Integration künftig haben kann: „Dort sagt man uns: Wir entwickeln Modelle, die Teile des Systems beschreiben. Dann simulieren wir diese Modelle, so dass wir wissen, dass unsere Vorstellung von der Software funktioniert. Danach schreiben wir ein Textdokument und geben das unserem Zulieferer, und darin stehen die Funktionen, die Beschreibung der Schnittstellen und die Testcases. Und nun soll der Zulieferer die Software auf seiner ECU entwickeln und uns nachweisen, dass er sie getestet und validiert hat. Wenn ich ihm statt einer Textdatei mein Matlab-Modell geben und er seine Tests daran realisieren könnte, würden wir uns die Hälfte der Zeit sparen.“ Mathworks arbeitet nun mit Siemens an der Realisierung einer solchen Vision. Zu anderen in diesem Zusammenhang wichtigen Anbietern zählt Siemens auch LMS Engineering Innovation, einen belgischen Hersteller von Softwarewerkzeugen für Test- und Mechatronik Simulation.

Die Forschung liefert wichtige Resultate Wie wichtig es ist, dass Wissenschaft und Forschung, aber auch die F&E-Bereiche der Industrie weiterhin intensiv Grundlagenforschung in Sachen Systems Engineering betreiben, zeigt ein noch relativ neues Produkt von Siemens PLM Software, das vor zwei Jahren auf den Markt gebracht wurde: der Mechatronic Concept Designer (MCD). Er wurde nämlich zunächst in den Forschungslabors von Siemens Corporate Technology entwickelt, bevor daraus ein marktfähiges Produkt wurde, das heute in immer mehr Unternehmen zum Einsatz kommt. Bei diesem System hat Siemens einen Schritt hin zur Spiele-Software gewagt. Der Physik Engine von Nvidia, also ein Modul zur Simulation und Berechnung physikalischer Zusammenhänge, wie es in der Welt der Computerspiele zum Einsatz kommt, dient hier erstmals der Abbildung mechatronischer Maschinenrealität. Die Abstriche, die dafür an der Genauigkeit gemacht werden, passen zur frühen Phase der Produktentwicklung, in der es ums Prinzip geht, nicht ums Detail. Der Ingenieur kann mit dem Mechatronics Concept Designer sehr einfache Objekte definieren oder aus einer Bibliothek wählen, die aber im Unterschied zu CAD-Modellen nicht nur Geometrie beinhalten, sondern auch ihre physikalischen Eigenschaften. Gewicht, Dynamik, Reibung, Kinematik sind die wichtigsten Parameter, die gesetzt werden können. Damit weiß das System, wie ein Objekt sich verhält, wenn Schwerkraft oder andere Kräfte einwirken. Das Transportband schiebt etwa ein Werkstück bis zum Sensor einer Lichtschranke, durch die wiederum der Motor eines Roboterarms angesteuert wird, der das Werkstück auf eine Palette schiebt. Elektronik, Software und Mechanik gehen hier endlich auch in der digitalen Welt die Symbiose ein, die die Maschinenbauer in ihren Produkten schon seit Jahren bieten. Bislang allerdings in der Regel gänzlich ohne Computerunterstützung konzipiert. Für andere Industrien wie den Flugzeugbau oder die Automobilindustrie fehlt es dem Simulator freilich noch an vielen weiteren Eigenschaften, die etwa Thermodynamik oder Fließverhalten simulieren ließen. Es bleibt also viel zu tun. Und hier arbeitet Siemens intensiv mit zahlreichen Stellen in Wissenschaft, Forschung und entsprechenden Organisationen zusammen. So wurden von IBM Open Services for Lifecycle Collaboration (OSLC) ins Leben gerufen, die zu einer Standardisierung und besserer Interoperabilität in der Softwareentwicklung beitragen sollen. Auch in dieser Initiative sind bereits zahlreiche Anbieter und Anwender aktiv. Die Entwicklung von Softwaresystemen und das Management ihres Lebenszyklus, das Application Lifecycle Management (ALM) leidet nämlich ähnlich wie PLM unter diversen Brüchen und Inkompatibilitäten zwischen den in der Praxis eingesetzten Tools. Einer der Anwendungsfälle, für die dort nach besserer Zusammenarbeit gesucht wird, ist die Verbindung von ALM und PLM. Siemens sieht sich hier derzeit als einziger PLM-

Anbieter, der wirklich aktiv versucht, etwas beizusteuern. Auch im International Council on Systems Engineering (INCOSE) ist Siemens aktives Mitglied. Diese Organisation ist eine herstellerunabhängige, neutrale Organisation, die sich die Entwicklung der Methodik des Systems Engineering in den unterschiedlichsten Bereichen auf die Fahne geschrieben hat.

Und mit verschiedenen Instituten und Universitäten gibt es langjährige Zusammenarbeit. So mit der H. Milton Stewart School of Industrial and Systems Engineering at Georgia Tech, wo Aerospace & Defense und das Thema SYSML eine große Rolle spielen. Mit der TU München und hier insbesondere mit dem Informatik-Lehrstuhl von Professor Broy verbinden Siemens mehrere Initiativen. Einerseits stellt Siemens PLM Software dem Lehrstuhl seine Entwicklungen in Sachen Systems Engineering zu Testzwecken zur Verfügung und wertet die dort gemachten Erfahrungen aus. Andererseits gibt es eine Zusammenarbeit mit dem 2009 ausgegründeten Institut fortiss: Münchner Forschungs- und Transferinstitut für Softwareintensive Systeme. Auch mit anderen Professoren wie den Systems Engineering Spezialisten Prof. Anderl, TU Darmstadt, Prof. Eigner, TU Kaiserslautern und Prof. Stark, TU Berlin, gibt es einen regen Austausch.

Ausblick Neben den Erweiterungen des Datenmodells und der Integration verschiedener Modelle und der Software wird es noch eine weitere Neuigkeit geben, die – je komplexer die multidisziplinären Systeme sind – ebenfalls einen enormen Nutzen verspricht. Mit Active Workspace bietet Siemens PLM Software eine neue Benutzeroberfläche, die sich vor allem dadurch auszeichnet, dass sie Google-ähnliche Suchmechanismen anwendet und in Sekundenschnelle findet, was der Benutzer sucht. Diese Suchmaschine ist eine der Innovationen, die Siemens auch in der Teamcenter Unified Architecture einführen möchte. Teamcenter Unified Architecture 9.1 heißt die nächste Version des Kernangebots zu PLM von Siemens. Sie wird viele der angesprochenen Neuerungen beinhalten. Für Stefan Jockusch ein Schritt auf dem Weg zu einem weiter wachsenden Werkzeug, das in Zukunft allen Industrien helfen soll, Systems Engineering Methoden produktiv einsetzen zu können.

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