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Tag des Systems Engineering 2015 Copyright @ 2015 Sylvia Melzer. Zur Veröffentlichung und Nutzung durch GfSE und die mit ihr verbundenen Organisati- onen freigegeben. Ein modellbasiertes Vorgehen zur variantengerechten Entwicklung modularer Produktfamilien Tammo Bahns 1 , Sylvia Melzer 2 , Ralf God 2 , Dieter Krause 1 Technische Universität Hamburg-Harburg, 21073 Hamburg 1 Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik, 2 Institut für Flugzeug-Kabinensysteme, {tammo.bahns, sylvia.melzer, ralf.god, krause}@tuhh.de Zusammenfassung: Die Produktentwicklung und das Produktlebenszyklusmanagement sind strukturell und pro- zessual meist durch eine hohe Komplexität gekennzeichnet. Für die Entwicklung und das Management vielteiliger und kompliziert zusammengesetzter Produkte wird daher häufig ein modellbasiertes Vorgehen empfohlen, wobei solche Vorschläge in der Regel darauf abzielen, ein einzelnes, bestimmtes Produkt ab initio zu entwerfen. Die Herausforde- rung besteht jedoch häufig darin, dass die Entwicklung und Spezifikation nicht für ein singuläres Produkt, sondern für so genannte Produktfamilien zu erfolgen hat, welche viele Varianten beinhalten. Weiterhin kommt es in Unternehmen vor, dass bereits eine Vielzahl an Varianten existiert, die es im Sinne des Lebenszyklusmanagements zu beherrschen gilt. In diesem Beitrag wird gezeigt, wie für die variantengerechte Entwicklung modularer Produktfamilien und deren Management eine Gesamtspezifikation mit dem so genannten integrierten PKTAnsatz nach einem modellbasierten Vorgehen umgesetzt werden kann. 1 Einleitung Produktentwicklung und Produktlebenszyklusmanagement sind als ganzheitliche Unternehmensaufgaben, beginnend bei der Erhebung der Anforderungen bis hin zur Produktaussteuerung, durch Komplexität gekennzeichnet: Umfangreiche, vielteilige und kompliziert zusammengesetzte Produkte werden von unterschiedlichen Teams in Kooperation mit Zulie- ferern entwickelt und hergestellt. Bei der Vermarktung gilt es die vom Kunden geforderte Variantenvielfalt auch intern, d.h. produkt- und prozessseitig, so zu beherrschen, dass damit verbundene Kosten im wirtschaftlichen Rahmen bleiben. Die voranschreitende Globalisierung eröffnet Unternehmen die Möglichkeit, ihre Produkte weltweit zu vertreiben. Dabei verstärken die unterschiedlichen regionalen Anforderungen den vorherrschenden Trend zur Individualisierung der Pro- dukte für unterschiedliche Kunden, sodass die „externe Vielfalt“, d.h. die Vielfalt der Produkte, die den Kunden angebo- ten wird, steigt [VM14, HG12, LRZ06]. Gleichzeitig sind Unternehmen einem größeren, weltweiten Wettbewerb ausge- setzt. Dies führt dazu, dass Unternehmen zunehmend eine hohe externe Vielfalt zu niedrigen Preisen bedienen können müssen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Ein etablierter Lösungsansatz, solche vielfältigen, d.h. variantenreichen Pro- dukte produzieren zu können, ist es, modulare Produktfamilien [Kr14] zu entwickeln. Vom Institut für Produktentwick- lung und Konstruktionstechnik (PKT) wird beispielsweise ein methodisches Vorgehen – der so genannte integrierte PKT-Ansatz [Kr14] (siehe Kapitel 2.2) – vorgeschlagen, um modulare Produktfamilien variantengerecht entwickeln zu können. Eine Befragung unterschiedlicher Anwender aus der Industrie nach Anregungen, Wünschen, Herausforderun- gen und Weiterentwicklungspotenzialen zur variantengerechten Gestaltung modularer Produktfamilien im Allgemeinen und speziell zum integrierten PKT-Ansatz lieferte das Ergebnis, dass für die Arbeitsaufgabe Werkzeuge mit Softwareun- terstützung gewünscht werden. Als große Herausforderungen wurden die Reduktion der durch spezifische Anforderun- gen einzelner Kunden entstehenden externen Vielfalt und die Beherrschung und Pflege der modularen Produktfamilie genannt [Ba15, BGK14]. Weiterhin ist es offensichtlich schwierig, eine heute vom Markt geforderte externe Vielfalt mit einer möglichst geringen Vielfalt an Bauteilen, Baugruppen und Herstellungsprozessen, d.h. einer geringen „internen Vielfalt“, in der Auftragsabwicklung abzudecken. Ein Hauptproblem scheint es zu sein, dass sich eine kontinuierlich entstandene, oft umfangreiche interne Vielfalt nicht mehr auf die ursprünglichen Anforderungen zur externen Vielfalt zurückverfolgen lässt. Dies führt wiederum dazu, dass sich eine vorhandene Produktfamilie nicht aktiv weiterentwickeln oder bereinigen lässt. Um diesem Hauptproblem begegnen zu können, gilt es eine Methodik zu finden, die für die variantengerechte Entwick- lung modularer Produktfamilien ein geeignetes prozessuales Vorgehen definiert, welches Methoden zur Entwicklung und Strukturierung von Varianten nutzt und von Softwarewerkzeugen unterstützt wird. Eine solche umfassende Methodik muss schließlich dazu beitragen, dass die interne Vielfalt in Abhängigkeit von der geforderten externen Vielfalt für eine Produktfamilie leicht nachverfolgt und hinsichtlich ihrer Entstehung untersucht, kontinuierlich analysiert und durch ein Lebenszyklusmanagement beherrscht und

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Tag des Systems Engineering 2015

Copyright @ 2015 Sylvia Melzer. Zur Veröffentlichung und Nutzung durch GfSE und die mit ihr verbundenen Organisati-onen freigegeben.

Ein modellbasiertes Vorgehen zur variantengerechten Entwicklung modularer Produktfamilien

Tammo Bahns1, Sylvia Melzer2, Ralf God2, Dieter Krause1

Technische Universität Hamburg-Harburg, 21073 Hamburg 1Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik,

2Institut für Flugzeug-Kabinensysteme, {tammo.bahns, sylvia.melzer, ralf.god, krause}@tuhh.de

Zusammenfassung: Die Produktentwicklung und das Produktlebenszyklusmanagement sind strukturell und pro-zessual meist durch eine hohe Komplexität gekennzeichnet. Für die Entwicklung und das Management vielteiliger und kompliziert zusammengesetzter Produkte wird daher häufig ein modellbasiertes Vorgehen empfohlen, wobei solche Vorschläge in der Regel darauf abzielen, ein einzelnes, bestimmtes Produkt ab initio zu entwerfen. Die Herausforde-rung besteht jedoch häufig darin, dass die Entwicklung und Spezifikation nicht für ein singuläres Produkt, sondern für so genannte Produktfamilien zu erfolgen hat, welche viele Varianten beinhalten. Weiterhin kommt es in Unternehmen vor, dass bereits eine Vielzahl an Varianten existiert, die es im Sinne des Lebenszyklusmanagements zu beherrschen gilt. In diesem Beitrag wird gezeigt, wie für die variantengerechte Entwicklung modularer Produktfamilien und deren Management eine Gesamtspezifikation mit dem so genannten integrierten PKT‐Ansatz nach einem modellbasierten Vorgehen umgesetzt werden kann.

1 Einleitung

Produktentwicklung und Produktlebenszyklusmanagement sind als ganzheitliche Unternehmensaufgaben, beginnend bei der Erhebung der Anforderungen bis hin zur Produktaussteuerung, durch Komplexität gekennzeichnet: Umfangreiche, vielteilige und kompliziert zusammengesetzte Produkte werden von unterschiedlichen Teams in Kooperation mit Zulie-ferern entwickelt und hergestellt. Bei der Vermarktung gilt es die vom Kunden geforderte Variantenvielfalt auch intern, d.h. produkt- und prozessseitig, so zu beherrschen, dass damit verbundene Kosten im wirtschaftlichen Rahmen bleiben. Die voranschreitende Globalisierung eröffnet Unternehmen die Möglichkeit, ihre Produkte weltweit zu vertreiben. Dabei verstärken die unterschiedlichen regionalen Anforderungen den vorherrschenden Trend zur Individualisierung der Pro-dukte für unterschiedliche Kunden, sodass die „externe Vielfalt“, d.h. die Vielfalt der Produkte, die den Kunden angebo-ten wird, steigt [VM14, HG12, LRZ06]. Gleichzeitig sind Unternehmen einem größeren, weltweiten Wettbewerb ausge-setzt. Dies führt dazu, dass Unternehmen zunehmend eine hohe externe Vielfalt zu niedrigen Preisen bedienen können müssen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Ein etablierter Lösungsansatz, solche vielfältigen, d.h. variantenreichen Pro-dukte produzieren zu können, ist es, modulare Produktfamilien [Kr14] zu entwickeln. Vom Institut für Produktentwick-lung und Konstruktionstechnik (PKT) wird beispielsweise ein methodisches Vorgehen – der so genannte integrierte PKT-Ansatz [Kr14] (siehe Kapitel 2.2) – vorgeschlagen, um modulare Produktfamilien variantengerecht entwickeln zu können. Eine Befragung unterschiedlicher Anwender aus der Industrie nach Anregungen, Wünschen, Herausforderun-gen und Weiterentwicklungspotenzialen zur variantengerechten Gestaltung modularer Produktfamilien im Allgemeinen und speziell zum integrierten PKT-Ansatz lieferte das Ergebnis, dass für die Arbeitsaufgabe Werkzeuge mit Softwareun-terstützung gewünscht werden. Als große Herausforderungen wurden die Reduktion der durch spezifische Anforderun-gen einzelner Kunden entstehenden externen Vielfalt und die Beherrschung und Pflege der modularen Produktfamilie genannt [Ba15, BGK14]. Weiterhin ist es offensichtlich schwierig, eine heute vom Markt geforderte externe Vielfalt mit einer möglichst geringen Vielfalt an Bauteilen, Baugruppen und Herstellungsprozessen, d.h. einer geringen „internen Vielfalt“, in der Auftragsabwicklung abzudecken. Ein Hauptproblem scheint es zu sein, dass sich eine kontinuierlich entstandene, oft umfangreiche interne Vielfalt nicht mehr auf die ursprünglichen Anforderungen zur externen Vielfalt zurückverfolgen lässt. Dies führt wiederum dazu, dass sich eine vorhandene Produktfamilie nicht aktiv weiterentwickeln oder bereinigen lässt.

Um diesem Hauptproblem begegnen zu können, gilt es eine Methodik zu finden, die für die variantengerechte Entwick-lung modularer Produktfamilien ein geeignetes prozessuales Vorgehen definiert, welches Methoden zur Entwicklung und Strukturierung von Varianten nutzt und von Softwarewerkzeugen unterstützt wird. Eine solche umfassende Methodik muss schließlich dazu beitragen, dass die interne Vielfalt in Abhängigkeit von der geforderten externen Vielfalt für eine Produktfamilie leicht nachverfolgt und hinsichtlich ihrer Entstehung untersucht, kontinuierlich analysiert und durch ein Lebenszyklusmanagement beherrscht und

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gezielt bearbeitet und weiter entwickelt bzw. reduziert werden kann. Insbesondere durch eine zu schaffende Nachverfolgbarkeit (engl. Traceability) kann beispielsweise die Entscheidung für die Entwicklung einer Variante begründet überdacht werden. Eine frühzeitige Aufwandsabschätzung wird möglich und es kann gezielt und günstig eine neue Produktvariante entwickelt werden. Umgekehrt werden dadurch auch Ent-scheidungen für die Aussteuerung von Produktvarianten, beispielsweise zur Kostenreduktion durch Straffung des Ange-bots unterstützt.

Die hier vorzustellende Methodik nutzt dazu auf der einen Seite Methoden des modellbasierten Produkteentwurfes und zur Modellierung von Varianten. Sie kombiniert diese auf der anderen Seite mit Methoden zur variantengerechten Ent-wicklung modularer Produktfamilien. Dazu beschreibt der Beitrag zunächst die Ideen und Grundlagen der genutzten Methoden. Anschließend wird das prozessuale Vorgehen zur variantengerechten Entwicklung einer Produktfamilie ab initio beschrieben. Als Ergebnis resultiert eine Methodik, die den o.g. Herausforderungen begegnen kann und im Kern die Nachverfolgbarkeit einer internen Vielfalt in Bezug auf die geforderte externe Vielfalt ermöglicht. Diese Methodik kann auch zur Beschreibung und Analyse existierender Produktfamilien genutzt werden. Exemplarisch wird sie am Bei-spiel von Flugzeugbordküchen (engl. Galleys), vorgestellt. Abschließend wird erläutert, wie die Methodik im Rahmen des Projektes SYLVIA (Synergetische Ansätze für neuartige Module, Monumente und Systeme von zukünftigen Flug-zeug-Kabinen) [Sy14] in der Praxis zum Einsatz kommen wird. In diesem Projekt geht es darum, den Eingangsbereich von Passagierflugzeugen variantengerecht zu entwickeln und als modulare Produktfamilie zu gestalten.

2 Verwendete Methoden

Es werden zunächst Methoden zum modellbasierten Produktentwurf und zur Modellierung von Varianten beschrieben. Dann werden Methoden zur variantengerechten Gestaltung von modularen Produktfamilien vorgestellt. Schließlich wird in Kapitel 3 die gesamte Methodik, d.h. die Kombination dieser Methoden zu einem durchgängigen, prozessualen Vor-gehen, vorgestellt.

2.1 Modellbasierter Produktentwurf und Modellierung von Varianten

Der modellbasierte Produktentwurf zur Entwicklung aufwändiger und komplizierter Produkte folgt den Regeln und Empfehlungen des so genannten Systems-Engineering (SE) [We09] und nutzt semi-formale Modellierungssprachen zur Beschreibung und Dokumentation des Entwicklungsprozesses. Die Modellierung in Verbindung mit den Methoden des Systems Engineering wird konsequent als Model-Based Systems Engineering (MBSE) bezeichnet [FSM09]. Eine Pro-duktspezifikation resultiert beim MBSE in Form eines Modells. Ein solches Modell, welches nach Alt [Al12] als eine abstrakte Beschreibung der Realität definiert ist, kann man dazu nutzen, um die externe Vielfalt mit der internen Vielfalt möglichst frühzeitig in Beziehung zu bringen und in Abhängigkeit voneinander darzustellen. Das setzt voraus, dass in der ersten Phase des Systems-Engineerings, dem Anforderungs-Engineering, bei der Definition von Anforderungen die Sichtweisen aller Stakeholder, vgl. z.B. [KG15], berücksichtigt und analysiert werden.

Bild 1. ACRE-Ontologie [HPB12] mit dem für Produktfamilien wichtigen Vielfaltskontext

Holt et al. [HPB12] definieren die so genannte ACRE-Ontologie (ACRE = Approach for Context-Based Requirements Engineering; siehe Bild 1), mit eben diesem Ziel, die Anforderungen aller Stakeholder erheben und während der gesam-ten Produktentwicklung verwalten zu können. Eine (abstrakte) Anforderung ist eine Generalisierung von Geschäfts-, funktionalen und nicht-funktionalen Anforderungen. Eine Anforderungsbeschreibung erläutert dabei die Anforderung, die aufgrund von einem oder mehreren Quellelementen erhoben wird und sich von einem oder mehreren ausgearbeiteten Anwendungsfällen ableitet. Der Kontext ist der bei der ACRE-Ontologie fundamentale Ansatz. Er betont und definiert

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die Sichtweisen auf die Anwendungsfälle und die daraus abzuleitenden Anforderungen. Neben dem typischen Stakehol-der- und Systemkontext wird in diesem Fall entsprechend ein Vielfaltskontext für eine gezielte Sichtweise auf die Pro-duktfamilie (siehe dazu auch Kapitel 3) genutzt. Der Stakeholder-Kontext definiert die Sicht verschiedener Stakeholder und der Systemkontext die für die Produktstruktur wichtige Sicht auf die System-, Subsystem-, Baugruppen- und Kom-ponenten-Ebene (siehe dazu auch Bild 5). Für eine weitergehende Vertiefung des kontextbasierten Anforderungs-Engineering-Ansatzes nach Holt et al. sei auf die Quelle [HPB12] verwiesen.

Wie Eingehens erwähnt, führen Kundenanforderungen, welche die externe Vielfalt bedingen, zu einer internen Vielfalt und damit zu den Varianten bei der Produktgestaltung. Eine Variante ist dabei eine Menge der Vielfalt, die sich aus den differenzierenden Eigenschaften und den Basis-Eigenschaften des Produktes ergibt [Me14]. Für die Modellierung von Varianten hat Weilkiens [We09] eine Methode zum Variantenmanagement definiert. Diese nutzt ein Varianten-Profil in SysML-Notation und definiert mögliche Variationspunkte, d.h. die interne Vielfalt eines Produktes, für die verschiedene Varianten betrachtet werden sollen.

Bild 2. Semantik und Notation einer Variante, einer Variation und eines Variationspunktes [W09]

Bild 2 zeigt dazu die Metaklassen Package und PackageableElement mit den Stereotyp-Erweiterungen Variante, Varia-tion und Variationspunkt. Ein Stereotyp ist eine Erweiterung vorhandener Modellelemente. Eine Variante ist ein Stereo-typ der Metaklasse Paket (engl. Metaclass Package), welche alle Elemente einer Variationsmöglichkeit enthält. Eine Variation ist auch ein Stereotyp der Metaklasse Paket, welche mehrere Variantenpakete enthält. Ein Variationspunkt ist ein Stereotyp der Metaklasse PackageableElement.

2.2 Variantengerechte Entwicklung modularer Produktfamilien

Die variantengerechte Entwicklung modularer Produktfamilien fordert eine frühzeitige und kontinuierliche Analyse von Stakeholder-Anforderungen, insbesondere unter Berücksichtigung der externen und internen Vielfalt. Zur gezielten Entwicklung und Adaption von modularen Produktstrukturen müssen verschiedene voneinander abhängige Aspekte berücksichtigt werden. Bild 3 zeigt schematisch, wie einer hohen Marktvarianz, d.h. einer von Kunden geforderten ex-ternen Vielfalt, durch Reduzierung der internen Varianz und/oder der Prozesskomplexität mit einer geringeren internen Vielfalt begegnet werden kann. Eine weitergehende Übersicht zu einzelnen Ansätzen, um Produkte nach technischen oder produktstrategischen Gesichtspunkten modular zu strukturieren sowie zu Vorgehensweisen zur variantengerechten Gestaltung und zur Modularisierung ist bei Krause et al. [Kr14] zu finden.

Bild 3. Reduzierte interne Vielfalt ausgehend von einer gefordert hohen externen Vielfalt [Kr14]

Der in diesem Artikel verwendete, integrierte PKT-Ansatz nach [Kr14] ermöglicht es, eine für alle relevanten Lebens-phasen geeignete modulare Produktstruktur zu entwickeln, d.h. eine auf die jeweiligen Auswirkungen der einzelnen Produktlebensphasen optimierte und dann übergreifend abgestimmte modulare Produktstruktur [Bl10] zu erarbeiten.

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Folgende Leitlinien sind Grundlage des integrierten PKT-Ansatzes [Kr14]: Workshopbasiertes methodisches Vorgehen zur Integration der produktspezifischen Fachkenntnisse bei der Viel-

faltsanalyse und -synthese, kombinierbare Methodenbausteine zum individuellen Einsatz in spezifischen Stakeholder-Kontexten in unterschied-

lichen Unternehmen, eigens entwickelte Visualisierungsmethoden und Werkzeuge zur Darstellung der externen und internen Vielfalt für

unterschiedliche Kontexte zur Lösungs- und Entscheidungsfindung im Team, gezielte konstruktive Umgestaltung, Änderung oder Neugestaltung von Komponenten zur Reduzierung der internen

Vielfalt.

Bei diesem Ansatz, welcher den Methodenbaustein „Variantengerechte Produktgestaltung“ beinhaltet, wird als zentrales Visualisierungswerkzeug ein Vier-Ebenen-Modell, das sogenannte Variety Allocation Modell (VAM) (siehe Bild 4) verwendet [Ki12]. Eine detaillierte Beschreibung der Schritte, wie das Vorgehen durch weitere Werkzeuge unterstützt wird, ist bei Krause et al. [Kr14] zu finden. Im VAM, das nur die Vielfalt einer modularen Produktfamilie zeigt, wird die externe Vielfalt auf der obersten Ebene I dargestellt. Die interne Vielfalt wird auf den Ebenen II-IV, in Anlehnung an die Hauptprozessschritte des Entwicklungs- und Konstruktionsprozesses nach Pahl & Beitz [FG13], durch Funktionen (II), Wirkprinzipien bzw. -elemente (III) und variante Komponenten (IV), dargestellt. Die Elemente im VAM sind kausal hierarchisch verknüpft. Das Modell visualisiert somit die Zusammenhänge zwischen der externen und internen Vielfalt. Um die externe Vielfalt mit einer minimalen internen Vielfalt erzielen zu können, werden aus dem VAM konstruktive Maßnahmen abgeleitet, die die varianten Elemente in den drei internen Ebenen reduzieren.

Bild 4. Variety Allocation Modell (VAM) zur Visualisierung in Anlehnung an [Ki12]

Ziel ist es, die modulare Produktfamilie so konstruktiv zu verändern, dass sie dem Idealbild einer variantengerechten, modularen Produktfamilie möglichst nahekommt. Dieses Idealbild wird anhand von drei Eigenschaften beschrieben [Ki12]: Die Systeme, Subsysteme, Baugruppen und Komponenten sind jeweils eindeutig anhand von Basis-Eigenschaften

und differenzierenden Eigenschaften unterschieden: Dies bedeutet, dass Komponenten entweder standardisiert sind (nur Basis-Eigenschaften) oder variieren (differenzierende Eigenschaften).

Die Varianten sind zum Träger einer differenzierenden Eigenschaft reduziert: Das heißt, die Varianten sind soweit abstrahiert und reduziert, dass sie nur noch Komponenten beinhalten, die zur Abbildung einer differenzierenden Ei-genschaft nötig sind.

Es besteht eine Eins-zu-Eins-Zuordnung zwischen kundenrelevanten differenzierenden Eigenschaften und Varianten: Das heißt, es gibt eine eindeutige Zuordnung von einer Variante der Komponenten zu einer differenzierenden Eigen-schaft. Dadurch können Multiplikationseffekte vermieden und die Anzahl der Komponenten in der Produktfamilie reduziert werden.

3 Methodik zur variantengerechten Entwicklung modularer Produktfamilien

Die nachfolgend erläuterte Methodik zur variantengerechten Entwicklung modularer Produktfamilien ergibt sich aus der Kombination von Methoden zur modellbasierten Produktentwicklung unter Verwendung der semi-formalen Modellie-rungssprache Systems Modeling Language (SysML) mit Methoden der variantengerechten Entwicklung modularer Pro-duktfamilien durch Nutzung des Variety Allocation Modell (VAM). Die Methodik umfasst vier Aktivitäten:

Aktivität 1 - Vielfaltskontext definieren und dokumentieren: Die Methodik nutzt den so genannten Vielfaltskontext, sodass bereits bei der Anforderungserhebung Basis-Eigenschaften bzw. differenzierende Eigenschaften identifiziert werden können. Formal wird dazu die ACRE-Ontologie [HPB12] um die Kontext-Spezialisierung „Vielfaltskontext“

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erweitert (siehe Bild 1). Der Vielfaltskontext repräsentiert die Menge potentiell varianter Eigenschaften aus Sicht ver-schiedener Stakeholder (d.h. die externe Vielfalt) und unterstützt die frühzeitige und kontinuierliche Analyse von Stake-holder-Anforderungen in Bezug auf die interne Vielfalt.

Bild 5. Vielfaltskontext im Systementwicklungsprozess (links) und Zusammenhänge von externer und interner Vielfalt im System-kontext (rechts)

Aktivität 2 - Externe Vielfalt identifizieren und dokumentieren: Potentiell variante Eigenschaften (d.h. die externe Vielfalt, siehe Bild 5, oben rechts) können auf jeder Ebene des Systementwicklungsprozesses (siehe Bild 5, links) vor-kommen. Entsprechend können diese auf jeder Ebene identifiziert und dokumentiert werden und beeinflussen dann die Produktstruktur (d.h. die interne Vielfalt) auf der jeweiligen Ebene. Zur internen Vielfalt zählen System-, Subsystem-, Baugruppen- und Komponenten-Vielfalt (siehe Bild 5, rechts).

Aktivität 3 - Differenzierende Eigenschaften aus der Vielfaltsmenge spezifizieren: Externe und interne Vielfalt einer Produktfamilie lassen sich auf jeder Ebene des Systementwicklungsprozesses in Basis-Eigenschaften und differenzie-rende Eigenschaften unterteilen (siehe Bild 6). Diese Teilung ist auf jeder Entwicklungsebene so durchzuführen, dass kontinuierlich überprüft werden kann, ob die am Ende von Kapitel 2 genannten Eigenschaften für ein Idealbild einer variantengerechten, modularen Produktfamilie erfüllt werden.

Bild 6. Differenzierende Eigenschaften aus der Vielfaltsmenge auf jeder Systementwicklungsebene spezifizieren

Aktivität 4 - Varianten modellbasiert spezifizieren: Zur Spezifikation der Varianten wird ein Variety Allocation Mo-dell (VAM) generiert (vgl. Kapitel 2.2 u. Bild 4) und modellbasiert unter SysML dokumentiert. Dazu wird für das Vari-anten-Profil die Metaklasse Paket um die Stereotypen „Differenzierende Eigenschaft“, „Variante Funktion“, „Variantes Wirkprinzip“ und „Variante Komponente“ erweitert (siehe Bild 7).

Bild 7. Modellbasierte Umsetzung des VAM zur Dokumentation und Spezifikation von Varianten in SysML nach [We09]

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Auf diese Weise können Varianten mit Bezug zum Vielfaltskontext dargestellt werden. Im Modell sind die Anforderun-gen und die Vielfalt auf jeder Ebene des Systementwicklungsprozesses assoziiert, sodass eine einfache Nach- und Rück-verfolgbarkeit (engl. Tracing) von Varianten zu den jeweiligen Anforderungen unterstützt wird. Die eingesetzte Soft-ware bietet hierzu sogenannte Traceability-Matrizen an, die durch Tracing einen einfachen Überblick und das aktive Management von Beziehungen zwischen der externen und internen Vielfalt ermöglichen.

4 Exemplarische Anwendung und Prüfung der Methodik

Am Beispiel eines Konzeptes für eine Produktfamilie von Flugzeugbordküchen (engl. Galleys) wurde in einer Studie [Sh14] geprüft, dass sich die vorgestellte Methodik auf ein konkretes Problem anwenden lässt und die einleitend be-schrieben Herausforderungen löst, insbesondere die Nach- und Rückverfolgbarkeit der Variationspunkte zum Vielfalts-kontext, d.h. den Anforderungen auf Kundenebene. Im Folgenden wird anhand eines exemplarischen Beispiels die in Kapitel 3 erläuterte Methodik stark vereinfacht beschrieben.

Aktivität 1 - Vielfaltskontext definieren und dokumentieren: Zu den Stakeholdern gehören Fluggesellschaften mit unterschiedlichen Service-Konzepten, die daran interessiert sind, dass eine Galley die Funktionen „Mahlzeiten erwär-men“, „Lebensmittel/Ausrüstung verstauen“ und „Kaffee kochen“ erfüllt. Aktivität 2 - Externe Vielfalt identifizieren und dokumentieren: Zur Erfüllung der Funktionen aus dem Vielfaltskon-text, hier: „Mahlzeiten erwärmen“, „Lebensmittel/Ausrüstung verstauen“ und „Kaffee kochen“, wird die externe Vielfalt spezifiziert. Demnach gehören Öfen, Stauraumboxen und Kaffeemaschinen zur externen Vielfalt.

Aktivität 3 - Differenzierende Eigenschaften aus der Vielfaltsmenge spezifizieren: Zur Basis-Eigenschaft einer Flugzeugbordküche gehören als Stauraum beispielsweise Trolleys, die für den unteren Galley-Bereich standardisiert vorgesehen sind. Zu den differenzierenden Eigenschaften zählen die Anordnung von Öfen, Stauraumboxen und Kaffee-maschinen, die die für den Service die geforderten Funktionen erfüllen sollen. Aktivität 4 - Varianten modellbasiert spezifizieren: Bild 9 zeigt exemplarisch ein vereinfachtes Beispiel wie die Vari-anten einer Galley dokumentiert werden. Alle Variationspunkte sind mit den Stakeholder-Anforderungen (externe Viel-falt) mit einer sogenannten Dependency-Beziehung assoziiert, sodass in einer Traceability-Matrix die Assoziationen aller Variationspunkte (siehe Bild 9, rechts) mit den Anforderungen dargestellt werden können.

Bild 9. Repräsentation zweier Galley-Varianten für den Mittelbereich einer Galley

5 Zusammenfassung und Ausblick

Die hier vorgestellte Methodik stellt eine Verbindung von Methoden zum modellbasierten Produktentwurf und zur Mo-dellierung von Varianten mit Methoden zur Modularisierung und zur variantengerechten Gestaltung von Produkten dar. Sie unterteilt das Vorgehen zur variantengerechten Entwicklung modularer Produktfamilien in die vier Aktivitäten (1.) Vielfaltskontext definieren und dokumentieren, (2.) Externe Vielfalt identifizieren und dokumentieren, (3.) Differenzie-rende Eigenschaften aus der Vielfaltsmenge spezifizieren und (4.) Varianten modellbasiert spezifizieren. Diese Metho-dik wurde im Rahmen einer Studie mit Flugzeugbordküchen verifiziert. Dabei zeigte sich, dass sich dieser Prozess mit seinen Methoden und Werkzeugen dazu eignet, die interne Vielfalt in Abhängigkeit von der geforderten externen Viel-falt für eine Produktfamilie nachvollziehbar und analysierbar zu machen, so dass diese im Sinne eines Lebenszyklusma-nagements beherrscht, gezielt bearbeitet und weiter entwickelt bzw. reduziert werden kann. Aktuell wird die Methodik im Rahmen des Projektes SYLVIA [Sy14] weiter erprobt, wo es gilt, den Kabineneingangsbereich von Passagierflug-zeugen variantengerecht als modulare Produktfamilie zu entwerfen. Dabei wird untersucht, ob durch die strukturierte

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Paketübersicht im Modell bei der Beschreibung in SysML Redundanzen vermieden werden können und ob bei großen und komplexen Projekten eine verbesserte Transparenz und Nachvollziehbarkeit erreicht werden kann.

Danksagung

Die hier vorgestellte Methodik entstand im Rahmen des LuFo V-1-Projektes SYLVIA (Synergetische Ansätze für neuartige Module, Monumente und Systeme von zukünftigen Flugzeug-Kabinen). Dieses Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des fünften zivilen Luftfahrtforschungsprogramms gefördert. Hierfür danken die Autoren herzlich.

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