Model-Based Systems Engineering: che cos’è e quali vantaggi comporta

Model-Based-System-Engineering

Che cosa significa Model-Based Systems Engineering?

Recentemente abbiamo supportato un nostro cliente attivo nella progettazione di sistemi propulsivi in campo aerospaziale nella definizione e implementazione di una strategia per una più efficace gestione del processo di simulazione lungo l’intero processo di sviluppo prodotto, dalla progettazione alla fase di testing, passando per la produzione e l’assemblaggio.

Trattandosi di un sistema ingegneristico particolarmente complesso quale un motore aeronautico, caratterizzato da un insieme di sottosistemi di varia natura, lo studio ha richiesto un approccio sistemistico di alto livello.

In questo post descriveremo brevemente uno dei concetti più in voga alla base di un approccio di sistema basato sulle nuove tecnologie digitali, ovvero il Model-Based Systems Engineering (MBSE).

Che cos’è il Model-Based System Engineering?

L’ingegneria dei sistemi basata su modelli (MBSE) è una metodologia utilizzata per supportare la definizione dei requisiti, la progettazione, l’analisi, la verifica e la convalida associati allo sviluppo di sistemi complessi. Contrariamente all’approccio più tradizionale basato su documenti, l’approccio MBSE pone i modelli al centro della progettazione del sistema. La maggiore adozione di ambienti di modellazione digitale negli ultimi anni ha portato a una maggiore adozione di MBSE nel processo di sviluppo di prodotti caratterizzati da elevata complessità. La gestione della complessità, infatti, è diventata una materia estremamente attuale nel campo della progettazione di nuovi prodotti, in quanto ormai tutti i prodotti sono caratterizzati da un elevato livello di integrazione di tecnologie spesso differenti. Prendendo come esempio il caso studio del cliente citato all’inizio, un motore aeronautico può essere descritto sulla base di una serie di sottosistemi principali, tra cui:

  • Fan
  • Compressore (di bassa e alta pressione)
  • Camera di combustione
  • Turbina (di alta e di bassa pressione)
  • Ugello
  • Accessori

Ogni sottosistema inoltre ha delle peculiarità specifiche. Ad esempio, la progettazione degli stadi del compressore comporta, tra le altre, l’analisi strutturale e termofluidodinamica del sottosistema, mentre il sistema di generazione elettrica comporta lo studio, tra gli altri, a livello elettromagnetico. La modifica delle condizioni di ingresso e di uscita di ciascun sottosistema impatta inevitabilmente sulle condizioni al contorno degli altri sottosistemi, innescando una serie di loop progettuali che devono essere opportunamente gestiti. Per questo, l’utilizzo di modelli digitali parametrici e integrati, piuttosto che di file come ad esempio messe in tavola 2d, procedure ecc. rappresenta la soluzione più efficace di gestione a livello di sistema.

Tale approccio rappresenta in qualche modo un’estensione del concetto di Model-Based Definition (MBD) ed evolve in quello che a livello di ciclo di vita progettuale viene definito Digital Thread, o “filo digitale”. Tali concetti sono stati descritti in un nostro precedente articolo.

sottosistemi di un motore aeronautico
Sottosistemi principali di un motore aeronautico

Quando utilizzare un approccio MBSE?

Abbiamo sottolineato come un approccio MBSE sia fondamentale nel momento in cui si abbia a che fare con sistemi ingegneristici complessi. Ma quali sono i sistemi ingegneristici complessi? La complessità di un sistema infatti può dipendere da diversi fattori, alcuni dei quali sono:

  • Numero e tipologia di sottosistemi coinvolti
  • Natura delle tecnologie coinvolte
  • Complessità di ciascuna tecnologia
  • Competenze richieste per ciascuna tecnologia
  • Risorse disponibili
  • Capacità gestionali richieste

Un’automobile, una motocicletta, un aeromobile sono tutti sistemi caratterizzati da elevata complessità. Allo stesso modo, un sistema produttivo o una fabbrica rappresenta certamente un sistema ingegneristico complesso, nel quale differenti tecnologie e competenze si integrano al fine di ottenere gli obiettivi prefissati, come ad esempio target di costo, capacità produttiva, qualità, tempi di consegna ecc.
Ogni qual volta in cui un team si trova a dover gestire la complessità, è sempre raccomandabile seguire un approccio MBSE.

Quali vantaggi comporta un approccio MBSE?

Alcuni dei vantaggi dell’utilizzo di un approccio MBSE rispetto a un approccio tradizionale basato sui documenti sono i seguenti:

  • Miglior coordinamento all’interno dei team di sviluppo prodotto. Un approccio MBSE può aiutare il processo di gestione fornendo un modo per acquisire tutte le informazioni dalle diverse discipline coinvolte a livello di sistema e condividere tali informazioni con i progettisti e le altre parti interessate; 
  • Soddisfazione delle parti interessate. Gli strumenti MBSE aiutano ad analizzare i requisiti degli stakeholder e a gestirli per garantire che siano soddisfatti. In quanto tale, l’ingegnere di sistema si fa carico di tradurre i requisiti dagli ingegneri elettrici agli ingegneri meccanici, dagli informatici all’operatore del sistema, dal manutentore all’acquirente del sistema. Ognuno parla una lingua diversa. L’idea di utilizzare i modelli rappresenta un mezzo per fornire queste comunicazioni in una forma grafica semplice.
  • Maggior ritorno dell’investimento. Gli strumenti associati al MBSE aiutano ad automatizzare il processo di ingegneria di sistema fornendo un meccanismo non solo per acquisire le informazioni necessarie in modo più completo e tracciabile, ma anche per verificare che i modelli funzionino. Se tali strumenti contengono simulazioni e da tale esecuzione forniscono un mezzo per ottimizzare costi, pianificazione e prestazioni, verranno introdotti meno errori nella fase iniziale di sviluppo dei requisiti. L’eliminazione di tali errori eviterà il superamento dei costi e i problemi che potrebbero non essere emersi dai tradizionali approcci incentrati sui documenti.

Un esempio pratico

L’utilizzo di modelli digitali nella progettazione di un motore aeronautico facilita la standardizzazione nel momento in cui siano necessari diversi cicli di simulazione, utilizzando strumenti differenti in diverse fasi del ciclo di vita di progettazione. Ad esempio, l’iteratività tipica dei processi complessi può essere gestita in maniera semi-automatica implementando modelli parametrici collegati l’uno all’altro. Nel momento in cui una modifica di un sottosistema o di un componente del sottosistema risulti necessaria, si genera un warning a tutti i componenti-sottosistemi ad esso associati, che dovranno quindi essere aggiornati per verificare gli opportuni requisiti. Il loop così innescato continua fino a che tutti i componenti e sottosistemi non soddisfino i requisiti di sistema.

Una struttura di questo tipo richiede al tempo stesso che gli strumenti di simulazione siano il più possibile integrati all’interno di uno stesso framework. Tale integrazione può essere garantita utilizzando piattaforme presenti sul mercato, oppure creando sistemi ad hoc personalizzati mediante supporto di sviluppatori. Per questo i principali player in campo di modellazione di sistemi quali Siemens e Dassault (a livello aeronautico) forniscono già piattaforme integrate che integrano strumenti per la gestione dei modelli durante l ‘intero ciclo di vita dello sviluppo prodotto. 

Quale aiuto ti offriamo?

In questo post abbiamo descritto il concetto di ingegneria dei sistemi basata su modelli (MBSE), una metodologia utilizzata per supportare la definizione dei requisiti, la progettazione, l’analisi, la verifica e la convalida associati allo sviluppo di sistemi complessi. Tra i sistemi complessi si annoverano non solo prodotti quali automobili o aeromobili, ma anche i sistemi produttivi e le fabbriche, caratterizzate sempre di più da un alto livello di tecnologie di varia natura, soprattutto con le nuove tendenze digitali proprie dell’Industria 4.0. Per questo, diventa fondamentale che le aziende si dotino di strumenti propri dell’ingegneria di sistema per ridurre i rischi associati all’introduzione di nuove tecnologie e per sfruttare appieno i benefici associati.

Accialini Training & Consulting offre supporto specifico in questo campo: grazie alle nostre competenze acquisite i settori strategici e ad un esteso network a livello internazionale, siamo in grado aiutarti a definire le strategie migliori all’implementazione di un approccio MBSE all’interno del tuo team di sviluppo prodotto in ogni fase del ciclo di vita. 

Per maggiori informazioni, contattaci per discutere maggiori dettagli.

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