Model-Based Systems Engineering: Prof. Dr. Claudio Zuccaro im Interview.
Prof. Dr. Claudio Zuccaro ist seit 2014 Professor für Systems Engineering an der Hochschule München und zählt zu den anerkannten Experten im Bereich Model-Based Systems Engineering (MBSE). Zuvor war er 16 Jahre bei Bosch und bei Siemens in der industriellen Entwicklung tätig – davon acht Jahre im Systems Engineering Management.
Neben seiner Lehr- und Forschungstätigkeit unterstützt er seit vielen Jahren Unternehmen als Berater im Rahmen von consultens Professional Services. Darüber hinaus ist Prof. Zuccaro in verschiedenen Fachnetzwerken aktiv, unter anderem in der Gesellschaft für Systems Engineering (GfSE) als Mitglied des erweiterten Vorstands sowie im VDE.
Herr Professor Zuccaro, welchen konkreten Mehrwert bietet MBSE Unternehmen bei der Entwicklung komplexer Systeme?
Model-Based Systems Engineering bietet sehr viele Vorteile im Vergleich zum klassischen Systems Engineering und insbesondere im Vergleich zu einer klassischen Produktentwicklung ohne Systems Engineering.
Ein wichtiger Anwendungsbereich ist das Requirements Engineering. Unternehmen sind heute damit konfrontiert, dass die Zahl der Anforderungen an ihre Produkte immer weiter zunimmt. Irgendwann wird es schwierig, tausende von Anforderungen zu managen, ohne den Überblick zu verlieren. Genau hier hilft ein Systemmodell. Es dient als Klammer, beschreibt die Funktionalität und die Struktur des Systems und unterstützt dabei, Anforderungen besser zu analysieren, zu ergänzen und miteinander in Beziehung zu setzen.
Ein zweiter wichtiger Punkt, der auch von Unternehmen immer wieder genannt wird, ist die Single Source of Truth. In der klassischen Produktentwicklung ist Wissen oft über viele verschiedene E-Mails, Dateien, SharePoint-Ablagen und andere Quellen verteilt. Mit einem Systemmodell gibt es dagegen eine zentrale Quelle, zu der verschiedene Stakeholder Informationen zuliefern und aus der sie sich bedienen. Dadurch steigt die Qualität der Informationen deutlich.
Sie haben kürzlich den Vergleich zwischen einem Fahrzeug aus den 1990er-Jahren und einem modernen Auto gezogen. Was hat sich verändert?
Es gibt sehr gute Daten darüber, wie stark die Zahl der Softwarezeilen in Fahrzeugen gestiegen ist. Wenn man beispielsweise die Software eines Golfs aus den 1990er-Jahren mit der eines heutigen Golfs vergleicht, sieht man diese Entwicklung sehr deutlich. Ähnlich skaliert auch die Zahl der Anforderungen. Und sicherzustellen, dass diese Anforderungen vollständig sind, dass sie konsistent zueinander sind und dass keine wichtige Anforderung vergessen wird, ist ohne zusätzliche Ansätze kaum möglich. Der wichtigste Ansatz dafür ist Model-Based Systems Engineering.
In welchen Projektsituationen zeigt MBSE besonders schnell seinen Nutzen?
Im Prinzip zeigt das Systemmodell während des gesamten Systemlebenszyklus seinen Nutzen. In der frühen Entwicklungsphase unterstützt es vor allem das Requirements Engineering. Etwas später hilft es bei der Definition der Architektur. Und am Ende der Entwicklungsphase unterstützt es Integration, Verifikation und Validierung.
Besonders wichtig ist aber, dass MBSE auch in späteren Lebenszyklusphasen eine große Bedeutung hat. Dort wirken sich Fehler aus der Entwicklungsphase am stärksten aus. Wenn ein Fahrzeug bereits verkauft wurde und wegen eines Softwarefehlers zurückgerufen werden muss, ist das wesentlich teurer, als wenn man den Fehler frühzeitig entdeckt. Wenn man also am Anfang mehr Zeit in den Aufbau eines Systemmodells investiert, kann man am Ende sehr teure Fehlerkorrekturen vermeiden.
Welche SysML-Diagramme sind aus Ihrer Sicht besonders wichtig?
Zunächst einmal sind Diagramme in der SysML – auch im Fall der neuen Version v2 – sehr wichtig, denn ein Bild sagt mehr aus als tausend Worte. Die SysML bietet allerdings einen umfangreichen Schatz an sprachlichen Elementen und auch an Diagrammtypen. Gerade deshalb ist es wichtig, diese Möglichkeiten auf das zu reduzieren, was wirklich notwendig ist. Sonst besteht die Gefahr, dass Mitarbeitende im Unternehmen überfordert werden.
Man sollte sich also fragen: Brauchen wir wirklich den gesamten Baukasten, den die Sprache bietet? Oder können wir ihn am Anfang vereinfachen? Eine Möglichkeit wäre also, mit einer Art „SysML Light“ zu starten.
Das lässt sich allerdings nicht pauschal für jedes Unternehmen und jedes Produkt beantworten. Man muss sich die Produktart, die Anwendung und die Organisation genau anschauen und dann entscheiden, wie die Sprache sinnvoll reduziert werden kann.
Wie wird in MBSE-Projekten der rote Faden von der Anforderung bis zur technischen Umsetzung sichergestellt?
SysML und entsprechende MBSE-Tools wie CATIA Magic ermöglichen es, Modellelemente innerhalb des Systemmodells miteinander zu verknüpfen. Wenn Anforderungen, funktionale Elemente sowie logische und physische Elemente im Systemmodell vorhanden sind, lassen sie sich miteinander verbinden. So entsteht genau dieser rote Faden.
Man kann beispielsweise zeigen, dass eine Architektur tatsächlich die Anforderungen erfüllt. Schwieriger wird es, wenn Informationen über verschiedene Modelle und Tools verstreut sind. In großen Unternehmen ist das häufig der Fall: Anforderungen werden in einem Requirements-Management-Werkzeug verwaltet, die Architektur in einem SysML-Tool und die physische Perspektive in einem PLM-System.
Auch dann ist es notwendig und möglich, Traceability herzustellen. Dabei sollte man Export und Import von Daten von einem Tool zu einem anderen wegen der Duplikation der Daten eher vermeiden. Bessere Ansätze sind die 3DEXPERIENCE Plattform von Dassault Systèmes oder der Standard OSLC zur Verknüpfung von Daten ohne Duplikation.
Welche Anforderungen müssen moderne MBSE-Tools erfüllen?
Zwei Punkte sind besonders wichtig: Funktionalität und Usability. Bei der Funktionalität geht es zum Beispiel darum, Simulationen zu unterstützen oder andere Werkzeuge integrieren zu können. Wenn ein Tool nur eine begrenzte Funktionalität unterstützt, dann muss das Unternehmen zusätzliche Tools besorgen und administrieren, was den Aufwand schnell in die Höhe treibt. Deshalb ist es hilfreich, wenn ein MBSE-Tool möglichst viele der notwendigen Funktionen unterstützt und sich gut in die bestehende Toollandschaft integrieren lässt.
Der zweite Punkt ist die Benutzerfreundlichkeit. Die Anwendenden im Unternehmen müssen davon überzeugt sein, dass ihre Modellierungsarbeit ihnen persönlich einen Nutzen bringt. Wenn Modellieren nur als zusätzliche Aufgabe wahrgenommen wird, zusätzlich zu vielen anderen Tätigkeiten, wird es schwierig, die Mitarbeitenden zu überzeugen.
Ein Tool muss also so bedienbar sein, dass es im Alltag unterstützt. Wenn man ständig nachschauen muss, wie man das Tool bedienen muss, wird das zum Hindernis. Wenn es dagegen leicht fällt, mit dem Tool zu arbeiten, hilft das der Anwendung von MBSE erheblich.
Wo sehen Sie konkrete Stärken von CATIA Magic?
CATIA Magic hat aus meiner Sicht eine beeindruckende Funktionalität und eine gute Usability. Ein konkretes Feature, das mir direkt einfällt, ist die Relation Map. Wir haben über Traceability und den roten Faden gesprochen. Die Relation Map hilft dabei, einen Überblick über die verschiedenen Verknüpfungen im Modell zu gewinnen. Genau solche Funktionen sind in der täglichen Arbeit sehr hilfreich, weil sie komplexe Zusammenhänge sichtbar machen.
Welche Rolle spielen Simulationen und Analysen auf Systemebene?
Architekturen müssen möglichst früh validiert werden. Ein gängiges Hilfsmittel dafür sind Simulationen – zum Beispiel, um die Performance oder die Reichweite eines Fahrzeugs zu bewerten. Früher wurde die Architektur häufig in Dokumenten beschrieben und haben Simulationsexperten ihre Simulationsmodelle auf der Basis der Dokumente manuell erzeugt. Das ist nicht nur ineffizient, sondern auch fehlerträchtig. Auch sind Änderungen aufwendig.
Mit MBSE geht das deutlich effizienter. Simulationstools können direkt an das SysML-Tool angebunden werden. Dadurch reduziert man manuellen Aufwand bei der Erstellung des Simulationsmodells und vermeidet Inkonsistenzen. Auch Systems Engineers ohne besondere Simulationsexpertise können in vielen Fällen selbständig Simulationen durchführen.
Welche Herausforderungen entstehen bei der Einführung von MBSE?
Ein ganz entscheidender Punkt ist, die Mitarbeitenden mitzunehmen. Sie müssen erkennen, dass Modellieren für sie selbst einen Wert hat – nicht nur für jemand anderen, nicht nur, weil ein Kunde es fordert oder eine Norm es verlangt. Es muss für die eigene Arbeit nützlich sein. Darüber hinaus braucht es die Unterstützung des Managements. Die Geschäftsführung muss nicht jedes technische Detail verstehen, aber sie muss verstehen, wozu MBSE dient und dass der Nutzen größer ist als der Aufwand. Ohne diese Unterstützung wird es schwierig, eigentlich unmöglich, Model-Based Systems Engineering im Unternehmen erfolgreich anzuwenden.
Deshalb ist Change Management so wichtig. Häufig konzentriert man sich zu stark auf technische Details, zum Beispiel darauf, welche Diagramme verwendet werden. Das ist wichtig, aber nicht das Wesentliche. Entscheidend sind auch psychosoziale Aspekte: Das Management muss die Richtung unterstützen, die Ziele müssen klar sein, und alle Beteiligten müssen verstehen, warum die Veränderung notwendig ist.
Wie verändert MBSE die Zusammenarbeit im Unternehmen?
Systems Engineering ist ein interdisziplinärer, heute sagt man häufig auch transdisziplinärer Ansatz. Es reicht nicht, Mechanikkonstrukteur:innen, Elektronikentwickler:innen und Softwareentwickler:innen in einen Raum zu setzen und zu erwarten, dass daraus automatisch ein funktionierendes Produkt entsteht. Es braucht jemanden, der das Ganze sieht, die Anforderungen des Kunden versteht und diese in eine Architektur überführt.
Früher hat der Systems Engineer dafür vor allem Dokumente erstellt. Heute entsteht stattdessen ein Systemmodell. Dieses Modell erleichtert die Zusammenarbeit zwischen den Fachdisziplinen erheblich. Traditionell arbeiten viele Entwicklungsorganisationen in Silos: Softwareentwicklung, Hardwareentwicklung, Mechanik. MBSE schafft die Möglichkeit, enger zusammenzuarbeiten, zum Beispiel in interdisziplinären Teams. Das verändert auch die Arbeitsweise der Mitarbeitenden.
Welche Rolle wird SysML Version 2 künftig spielen?
SysML v2 ist vom Konzept her deutlich klarer als SysML v1. Die Sprache ist verständlicher und damit auch leichter erlernbar für Modelliererinnen und Modellierer. Ein wichtiger Punkt ist die textuelle Notation. Sie erleichtert zum Beispiel auch Large Language Models, also KI-Systemen, den Zugang zu Modellen, weil KI zunächst Text verarbeitet. Damit wird auch der Einsatz von KI im Model-Based Systems Engineering erleichtert.
Die textuelle Notation hilft außerdem beim Austausch von Modellen, etwa wenn Modelle exportiert und in andere Tools importiert werden sollen. Das ist besonders relevant in der Zusammenarbeit mit Kunden oder Zulieferern, die andere Werkzeuge verwenden. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die standardisierte API. Sie erleichtert den Zugriff auf Daten und ermöglicht es, zusätzliche Tools anzubinden – etwa Simulationswerkzeuge, die auf Basis der Systemspezifikation arbeiten.
Wohin entwickelt sich das Forschungsfeld MBSE?
In den letzten Jahren ist die Zahl der Forschungsfragen rund um MBSE stark gewachsen. Das Themenfeld wird für die gesamte Community immer interessanter. Ein großes Thema ist natürlich der Einsatz von KI: Wie kann man KI nutzen, um Modelle aufzubauen oder zu überprüfen? Daneben gibt es viele weitere Fragestellungen, zum Beispiel modellbasiertes Product Line Engineering, die Unterstützung von Simulationen durch Systemmodelle oder die Erstellung digitaler Zwillinge. Man sieht daran: Es gibt nicht die eine zentrale Forschungsfrage. Das Feld ist sehr breit und entwickelt sich dynamisch weiter.
Warum kommt MBSE gerade jetzt stärker in der Industrie an?
Systems Engineering selbst wächst seit einiger Zeit deutlich. Ein Grund ist, dass auch die klassischen Maschinenbauer heute immer mehr Elektronik und Software in ihre Produkte integrieren müssen. Sie entwickeln statt rein mechanischer zunehmend auch hochkomplexe mechatronische Produkte.
Dadurch wächst auch der Bedarf an Systems Engineering – und damit an Model-Based Systems Engineering. Allerdings kann man MBSE nicht in drei Tagen vollständig erlernen und umsetzen. Unternehmen müssen Erfahrungen sammeln und die Anwendung Schritt für Schritt aufbauen. Das ist vergleichbar mit der Einführung von 3D-CAD oder PLM: Auch das waren längere Transformationsprozesse. Es reicht nicht, einfach eine Lizenz zu kaufen und zu erwarten, dass alles von allein funktioniert. MBSE muss als Veränderungsprozess verstanden und entsprechend begleitet werden.
