MBSE vs. herkömmliches Anforderungsmanagement: Was Unternehmen wissen müssen

Moderne technische Produkte wie Autos, Flugzeuge oder medizinische Geräte vereinen heute Software, Elektronik, Cloud-Dienste und mechanische Systeme in einer einzigen Produktarchitektur. Daher erfordert die Verwaltung der Systemanforderungen für solche Produkte mehr als nur das Verfassen der Anforderungsdokumentation.

Es stimmt zwar, dass der Ansatz des Anforderungsmanagements nach wie vor die Grundlage aller Engineering-Programme bildet. Gleichzeitig gewinnt jedoch das modellbasierte System-Engineering (MBSE) zunehmend an Bedeutung. Anstelle von Dokumenten als primärem Träger der Systemabsicht nutzt MBSE formale, miteinander verknüpfte Modelle, in denen Anforderungen, Architektur, Verhalten und Schnittstellen in einer einheitlichen Struktur zusammengefasst sind.

Dieser Wandel hat eine wichtige branchenweite Diskussion darüber ausgelöst, wie sich beide Ansätze in moderne Entwicklungsumgebungen einfügen.

Warum die Debatte um MBSE versus traditionelles Anforderungsmanagement geführt wird

Die Debatte zwischen MBSE und dem traditionellen Anforderungsmanagement (dokumentbasiert) ist keine theoretische Frage; sie ist aus konkreten Fehlschlägen in großen Entwicklungsprojekten entstanden, bei denen ein dokumentbasierter Ansatz Schwierigkeiten hatte, die Systeminteraktionen zu erfassen.

Zum Beispiel:

• Der Mars Climate Orbiter ging verloren: Während der Entwicklung hatte ein Ingenieurteam die Schubdaten in Pfund-Kraft-Sekunden berechnet, während ein anderes von Newton-Sekunden ausgegangen war. Aufgrund dieser Diskrepanz trat das Raumfahrzeug auf einer falschen Flugbahn in die Marsatmosphäre ein und zerbrach. Der Grund für diesen Fehlschlag war eine unzusammenhängende Anforderungsdokumentation, die nie auf Systemebene validiert wurde.
• Unfall mit einer Boeing 737 MAX: Im Oktober 2018 und März 2019 stürzten zwei Boeing-Flugzeuge ab. Später stellte das Untersuchungsteam fest, dass wichtige Details zum Flugsteuerungssystem MCAS über die technische Dokumentation verstreut waren und nicht mit der Sicherheitsanalyse des Flugzeugs verknüpft waren.

Diese Misserfolge verdeutlichen also die weiterreichenden Herausforderungen, die wir im Folgenden aufgeführt haben und denen sich viele Führungskräfte im Ingenieurwesen derzeit branchenübergreifend gegenübersehen:

• Fehlende Rückverfolgbarkeit über den gesamten Lebenszyklus.
• Begrenzte Transparenz hinsichtlich der Verbindungen zwischen den Teilsystemen
• Anforderungen über E-Mails und verstreute Dokumente hinweg verwalten
• Späte Feststellung von Integrationsproblemen

Aus diesem Grund setzen Unternehmen zunehmend auf modellbasiertes System-Engineering und einen strukturierten Ansatz für das Anforderungsmanagement. Im nächsten Abschnitt wollen wir uns damit näher befassen.

Wo sich MBSE in komplexen technischen Umgebungen besonders bewährt

MBSE erweist sich als nützlich, wenn technische Systeme zu komplex werden, um sie anhand schriftlicher Spezifikationen zu erfassen.

Lassen Sie uns das anhand des folgenden Beispiels verdeutlichen:

Betrachten wir das Stromverteilungssystem des Flugzeugs, das für die Stromversorgung mehrerer Teilsysteme zuständig ist, darunter:

• Generatoren
• Batterien
• Avionik
• Notstromversorgungssysteme

Hier mag das Anforderungsdokument zwar festlegen, dass „die Stromversorgung innerhalb von 50 ms auf Notstrom umschalten soll, wenn der Generator ausfällt“, doch hängt das Verhalten des Systems von Zustandsübergängen ab, die sich anhand der dokumentierten Anforderungen nicht überprüfen lassen.

Mithilfe von modellgetriebenem Engineering können Teams:

• Stellen Sie dar, wie der Stromfluss zwischen Generatoren, Batterien und Teilsystemen verläuft
• Stellen Sie die Steuerlogik dar, die die Schaltentscheidungen steuert
• Das Systemverhalten unter verschiedenen Ausfallszenarien bewerten
• Überprüfen Sie, ob die Architektur die zeitlichen Anforderungen erfüllen kann, wie beispielsweise die 50-ms-Failover-Bedingung.

Warum Unternehmen auf einen MBSE-basierten Entwicklungsansatz setzen 

• Transparenz der Systemarchitektur: Bei der Entwicklung komplexer Projekte arbeiten mehrere Teams – darunter Teams für Mechanik, Elektrotechnik, Konstruktion und Software – an der Erstellung verschiedener Komponenten. MBSE ermöglicht die Erstellung einer einheitlichen Architekturansicht und erleichtert das visuelle Verständnis der Beziehungen zwischen den einzelnen Komponenten.
• Frühzeitige Verhaltenssimulation: Mithilfe digitaler Modelle können Teams verschiedene Szenarien simulieren, bevor sie Ressourcen in die Entwicklung früher Prototypen investieren. Dies trägt dazu bei, Integrationsprobleme frühzeitig zu erkennen.
• Unterstützung für digitale Engineering-Praktiken: MBSE-Modelle verknüpfen Anforderungen, Architektur, Simulationen und Verifikationsergebnisse. Dies hilft Unternehmen dabei, ein einheitliches Systemverständnis und eine lückenlose Rückverfolgbarkeit über die Phasen der Entwicklung, des Testens, der Bereitstellung und des Betriebs hinweg zu gewährleisten.

MBSE in der Praxis: Beispiele aus realen Ingenieurstudiengängen

• Airbus (A350-XWB-Programm): Das Airbus-Team nutzte bei der Entwicklung des A350 XWB einen MBSE-basierten Entwicklungsansatz. Im Anschluss daran berichteten die Ingenieurteams, dass die Fehlerquote auf Integrationsebene im Vergleich zu früheren Programmen um 30 bis 40 % gesunken war. Dies war möglich, weil das Team das System anhand von Simulationen unter verschiedenen Szenarien validieren konnte, bevor ein physisches Produkt gebaut wurde.
• Siemens (Bahnautomation): Siemens Mobility setzt bei der Entwicklung von Zugsteuerungssystemen in der Regel MBSE ein. Das Unternehmen veröffentlichte 2022 über INCOSE eine Fallstudie und gab an, dass die modellbasierte Verifikation den Aufwand für die Dokumentation des Sicherheitsnachweises um 25 % reduziert habe.

MBSE verbessert also die allgemeine Systemtransparenz und ermöglicht es Teams, die Wechselwirkungen innerhalb komplexer Architekturen leicht nachzuvollziehen.

Wo ein strukturiertes Anforderungsmanagement nach wie vor von entscheidender Bedeutung ist

Unternehmen, die MBSE einsetzen, benötigen zudem einen strukturierten Prozess für das Anforderungsmanagement, um zu steuern, wie Anforderungen während des Produktentwicklungszyklus formuliert, geprüft, genehmigt und verifiziert werden.

Anstatt jedoch einen herkömmlichen, dokumentbasierten Ansatz für das Anforderungsmanagement zu verwenden, setzen Unternehmensteams zunehmend auf cloudbasierte Tools für das Anforderungsmanagement wie Modern Requirements4DevOps, das innerhalb von Azure DevOps funktioniert. Diese Tools ermöglichen es, Anforderungen parallel zu den Entwicklungsabläufen zu verwalten und dabei die vollständige Rückverfolgbarkeit an einem Ort zu gewährleisten.

Betrachten wir ein Beispiel aus dem Bereich der Flugzeugentwicklung: 

• Um Zulassungen für die Luftfahrt zu erhalten, müssen Teams die internationale Norm DO-178C einhalten. Dazu müssen sie den Aufsichtsbehörden dokumentierte Nachweise vorlegen, aus denen hervorgeht, wie Anforderungen definiert, überprüft, nachverfolgt, versioniert und verifiziert wurden. In solchen Fällen sorgt das Anforderungsmanagement für die Nachverfolgbarkeit der Zusammenhänge zwischen Sicherheitsanforderungen, Systemdesignelementen, Verifizierungstests und Zertifizierungsunterlagen.

Darüber hinaus unterstützt ein strukturiertes Anforderungsmanagement weiterhin mehrere wichtige Aktivitäten in Unternehmens-Engineering-Programmen:

• Governance- und Prüfungsabläufe für Genehmigungen.
• Versionskontrolle, um nachzuverfolgen, wie sich Anforderungen über Sprints und Releases hinweg ändern.
• Rückverfolgbarkeit über den gesamten Lebenszyklus hinweg, die Anforderungen mit Entwurf, Entwicklung und Tests verknüpft.
• Einhaltung gesetzlicher Vorschriften hinsichtlich Sicherheits- und Zertifizierungsstandards.
• Auswirkungsanalyse zur Überprüfung, wie sich eine Änderung der Anforderungen auf andere Artefakte auswirkt.

In komplexen technischen Umgebungen sorgen diese Governance-Funktionen dafür, dass Anforderungen während des gesamten Entwicklungszyklus kontrolliert, nachvollziehbar und überprüfbar bleiben.

Die Realität in der Unternehmenswelt: Hybride Entwicklungsstrategien

Tatsächlich ist MBSE kein Ersatz für ein strukturiertes Anforderungsmanagement. Vielmehr ergänzen sich beide Ansätze. Die meisten Unternehmen setzen heute beide gemeinsam ein, und ein typischer Arbeitsablauf sieht wie folgt aus:

• Anforderungen werden auf einer einzigen Plattform erfasst, verwaltet, nachverfolgt und überprüft.
• Die Systemarchitektur und die digitalen Modelle werden mithilfe spezieller MBSE-Tools entwickelt.
• Es werden Rückverfolgbarkeitsverknüpfungen zwischen digitalen Modellen und Anforderungen gepflegt.
• Produktentwicklungs- und Testaktivitäten sind über DevOps-Pipelines miteinander verbunden.

Selbst führende Unternehmen setzen auf diesen hybriden Ansatz. Zum Beispiel:

• Northrop Grumman nutzt digitale SysML-Modelle zur Entwicklung und Visualisierung der Systemarchitektur und setzt eine cloudbasierte Plattform für das Anforderungsmanagement bei Verteidigungsprogrammen ein.
• Ebenso nutzt Bosch Automotive MBSE-Plattformen für die Architekturansicht und Anforderungsmanagement-Plattformen, um internationale Normen wie ISO 26262 einzuhalten.

Die Idee ist also klar. Anstatt das Anforderungsmanagement durch MBSE zu ersetzen, sollten Sie beide Ansätze gemeinsam nutzen, um gleichzeitig die Transparenz des Systems und die Kontrolle über den Lebenszyklus zu gewährleisten.

Der nächste Schritt für Unternehmen, die komplexe Systeme verwalten

Dieser Wandel hin zu MBSE ist Realität. Nun sollten Führungskräfte im Engineering darüber nachdenken, wie Systemwissen über den gesamten Produktentwicklungszyklus hinweg verwaltet werden sollte. Der nächste Schritt besteht nicht darin, noch mehr Dokumentation zu erstellen, sondern Anforderungen, Architekturmodelle, DevOps-Workflows und Validierungsdaten miteinander zu verknüpfen, damit die Teams das Systemverhalten nachvollziehen können.

Viele Unternehmen haben bereits damit begonnen, digitale Fäden in ihren Entwicklungsabläufen zu implementieren. Diese verbinden Anforderungen, Architekturmodelle, Entwurfsartefakte und Testergebnisse zu einer einzigen rückverfolgbaren Kette. Zudem setzen sie digitale Zwillinge ein, mit denen sie digitale Nachbildungen physischer Produkte erstellen und verschiedene Szenarien virtuell simulieren können.

Mit Blick auf die Zukunft sollten Sie damit beginnen, technische Ökosysteme aufzubauen, in denen sowohl MBSE als auch das Anforderungsmanagement miteinander verknüpft bleiben, um der wachsenden Komplexität moderner Systeme gerecht zu werden.