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Anwendung des „Concurrent Engineering“ für Systementwürfe im DLR Institut für Raumfahrtsysteme

23. September 2010 – Aachener Automatisierungstage

Andy Braukhane

DLR Institut für Raumfahrtsysteme

Systemanalyse Raumsegment

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Überblick

DLR Bremen

Abteilung Systemanalyse Raumsegment

Systems Engineering in der Raumfahrt

Concurrent Engineering (CE)

CE – Prozess

Concurrent Engineering Facility (CEF)

Datenmodelle (Software)

CE – Studienbeispiele

Zusammenfassung

Ausblick und Visionen

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DLR Bremen: Institut für Raumfahrtsysteme

Neues DLR-Institut in Bremen: gegründet 2007

Systemanalyse- Analyse und Bewertung komplexer Raumfahrtsysteme in Bezug auf technische,

ökonomische und politische ApekteSystemtechnik

- Systems Engineering für Raumfahrzeuge und deren Anwendung; Forschung und Entwicklung in speziellen Technologiebereichen

Projekte- Ko-operationen mit anderen DLR-Instituten, Universitäten und Forschungs-

einrichtungen, sowie mit der Industrie

CEF

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CEFCEF

DLR Bremen: Abteilungen

SystemanalyseRaumsegment

System-konditionierung

& Verifikation

Avionik-systeme

Systemanalyse Raumtransport

Navigations- & Kontrollsysteme

Transport- & Antriebssysteme

Orbitalsysteme & Sicherheit

Explorations- systeme &

Wissenschafts-missionen

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Systemanalyse Raumsegment

3 Kernbereiche

Systembewertung und Kosten

Orbital- und Missionsanalyse

Systemkonzepte und Concurrent Engineering

Derzeitige Projekte und Aktivitäten, u. A.:

Betrieb Concurrent Engineering Facility (CEF)

Knowledge Capitalization (ESA-Projekt)

Datenbanken für Raumfahrtsysteme, Subsysteme, Komponenten und deren Parameter

Kleinsatellitenentwicklung, z.B. CLAVIS; AISat

Kompaktsatelliten, z.B.: AsteroidFinder; CarbonSat

Kosten- und Missionsanalyse

Concurrent Engineering

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Systems Engineering: Warum?

Quelle: TSTI

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Systems Engineering: Phasen

Quelle: European Cooperation for Space Standardization (ECSS)

Derzeitiger Fokus des “Concurrent Engineering”

- Machbarkeit(Phase 0)

- Vorläufiges Design(Phase A)

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Systems Engineering: Prozesse I

Conventional Design / Engineering Processes

Centralized Engineering:

Sequential Engineering (with iterations):

Configuration ThermalPower

iteration

Power

AOCS

Configuration

Thermal

Project Manager/ Systems Engineer

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Systems Engineering: Prozesse II

Concurrent Design / Engineering Process

Project Manager/ Systems Engineer

Configuration Power

AOCSThermal

Die 5 Elemente des Concurrent Engineering (CE); gemäß ESA:

- Interdisziplinäres Expertenteam

- CE-Prozess

- Design Modell

- Infrastruktur (hier: CEF)

- Multi-Media Umgebung

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Concurrent Engineering

Was ist das?

- Systems Engineering Technik für Entwurf, Entwicklung und technisches Management

- Systematischer Ansatz für integrierte Produktentwicklung

- Formalisierung des iterativen Entwicklungsprozesses

- Simultanes Arbeiten an einem gemeinsamen Problem

- Involviert alle Disziplinen + aktive Einbindung des Kunden

Wer macht das (in der Raumfahrt)?

- Agenturen & Forschungseinrichtungen

- u.A.: NASA, ESA, DLR, ASI (Italien), CNES (Frankreich)

- Industrie

- u.A.: EADS Astrium; Thales Alenia Space

- Universitäten

- u.A.: TU München; MIT, Stanford; Cranfield; La Sapienza

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Der CE-Prozess: Ablauf & Produkte

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Der CE-Prozess: Phasen I

Initiationsphase (Monate vor Studie)

- „Kunde“ kontaktiert CE-Team

- Erste Verhandlungen mit dem Kunden; Status-Bestimmungen

- Diskussion der zu erwartenden Resultate

- Identifikation der benötigten Disziplinen (Domänen)

Vorbereitungsphase (Wochen vor Studie)

- Festlegung der Missions- und Studienziele

- Definition der Missions- und Systemanforderungen

- Identifikation möglicher Systemoptionen (max. 3)

- Vorbereitung der Missions-Analyse (u.A. Bahnberechnungen)

- Finale Zusammensetzung und Einladung des Entwicklerteams

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Der CE-Prozess: Phasen II

Studienphase (DLR: 1-3 Wochen)

- Kick-off mit Präsentationen der wichtigsten Themen

- Erste Konfiguration und Budget-Abschätzungen (z.B.: Masse)

- Iterationen auf Subsystem- und Komponentenebene in mehreren Sitzungen; inkl. Datenabgleich; Vergleiche von Optionen

- Dazwischen: Gruppendiskussionen; Berechnungen

- Endet mit kurzen Abschlusspräsentationen jedes Subsystems

- Review; Abgleich; Aufnahme der offenen Punkte

Nachbereitungsphase

- Sammlung der Resultate (Dateien; Berichte, Präsentationen)

- Bewertung der Resultate

- Anfertigung der Abschlussdokumentation

- Überleitung der offenen Punkte in die weitere Projektarbeit

- Überleitung der „Lessons Learnt“ in den CE - Prozess

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Der CE-Prozess: Studienphase

Session: moderiert (im Hauptraum); Datenaustausch

Post-processing: freie Diskussionen; Arbeitsgruppen

Final Presentation: abschließender Abgleich der Ergebnisse

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CEF I: Concurrent Engineering Facility

Was ist- Eine

Hauptraum Besprechungs-Raum 1

Besprechungs-Raum 2

Server- Raum Küche

Lobby

Toiletten

Eingang

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CEF II: Haupt („Design“) Raum

3 Projektionsflächen3 Projektionsflächen

12 Arbeitsplätze12 Arbeitsplätze

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CEF III: Team-Anordnung

Thermal

Struktur

System

Power

Konfiguration

Kunden- & Expertentisch

Kosten

Missionsanalyse

KommunikationDaten-

management

Team Leitung

Antriebe

Lageregelung

BeispielBeispiel

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Modelle: ESA Integrated Design Model (IDM) I

MS Excel-basiert

Makro-unterstützt

Phase 0 / A

Zentraler DatenaustauschData_exchange.xls

Arbeitsblätter (Tabellen)Input

Berechungen

Budgets

Output

Schnellübersicht

…

Ein „Workbook“ pro Disziplin

Satelliten-Missionen

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Modelle: ESA Integrated Design Model (IDM) II

Schematischer Überblick:

Quelle: ESA

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Modelle: DLR Virtueller Satellit I

Simultaner Zugriff der Disziplinen Rechtevergabe (System; Power…)

Enthält Bibliothek mit parametrisierten Komponenten (Units)

Gliederung der Systemstruktur in Baumansicht

flexibel erweiter- und verschachtelbar

Quelle: TSTIKomponenten-

bibliothekKomponenten-

bibliothek

Quelle: DLR-SC

Ansicht des “System breakdown”

Ansicht des “System breakdown”

Leichter Übertrag der Units aus Bibliothek in Studien-Explorer

Datenspeicherung mit Versionskontrolle „Subversion (SVN)“

verwendet SMP2-Standard

basiert auf Eclipse

SMP = Simulation Model Portability

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Modelle: DLR Virtueller Satellit II

Quelle: DLR-SC

Beispiel: LuftfahrtBeispiel: LuftfahrtBeispiel: RaumfahrtBeispiel: Raumfahrt

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Modelle: (v)Sys-ed (TU München) I

(v)Sys-ed virtuelles System; Editor

Objektbasierte Modellierung für simultane Systementwicklung

Zentrales Datenmodell

Verwendet Klassen und Objekte (Instanzen)

Wiederverwendung von Klassen/Objekten über die Bibliothek

Quelle: TU München

Mehrere Projekte in einer einzigen Datenbank

Inputs/ Outputs über Flussrelationen

Schnittstellen

Excel

XML…

Benutzerzugriff über (4D-)Client

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Modelle: (v)Sys-ed (TU München) II

Klassenbibliothek

Erstelltes Objekt

Beispiel: Erstellen eines Objektes

Quelle: TU München

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CE – Studienbeispiele

Beispiele bisheriger DLR - Studien- Derzeit 15 ein- bis dreiwöchige Studien seit 2008

- Externe Kunden u. A.: EADS Astrium; AMSAT; IUP Bremen; FH Aachen

AsteroidFinder(DLR Bremen)

MASCOT(DLR Bremen)

COMPASS-II(FH Aachen)

AHAB(Uni Bremen, DLR)

Cryo-Kickstufe(DLR Bremen)

AMSAT Mond + Mars

(AMSAT-DL)

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Zusammenfassung

Concurrent Engineering

- Spart Entwicklungskosten und -Zeit (~50 %)

- Minimiert Fehler erhöht Konsistenz

- Gegenseitige Ausbildung („Blick über den Tellerrand“)

- Sehr hilfreich in frühen Projektphasen

Das Team steht im Vordergrund

- Datenmodelle und Infrastruktur unterstützen den Prozess

- Mehrere Modelle möglich / erhältlich / in Entwicklung

- Kommunikation der Ingenieure (auch mit dem Kunden)

Weitere (potentielle) Industriezweige und Anwendungen

- Fahrzeugbau; Luftfahrt

- Öl- und Gas-Industrie; Offshore-Anlagen

- Architektur-Bauwesen; Werkzeugmaschinen?

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Ausblick und Vision

Anwendung des Prozesses auf höhere Projektphasen

- Einbindung von Team, Modellen und Infrastruktur über den gesamtem Produkt-Lebenszyklus bis hin zur Entsorgung

Höhere Vernetzung von Software und integriertem Datenmodell

- Anbindung von Subsystem-Werkzeugen

- Virtuelle „Vorschau“; automatische 3D-Modelle aus Parametern

Einbindung von internen Datenbanken in die Design-Modelle

- DLR Space Suppliers and Manufacturers Database (SSAM)

- DLR Concurrent Engineering Reference Database (CERD)

Vertiefung der Kooperation auf nationaler & europäischer Ebene

- Zusammenschluss der CE-Anlagen für gemeinsame Studien

- Standardisierung von Modellen; Parametern und Abläufen

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Fragen?

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit