La ingeniería de sistemas basada en modelos (MBSE), al detalle

La ingeniería de sistemas basada en modelos (MBSE) es una metodología que se centra en la creación y explotación de modelos digitales de sistemas y dominios de ingeniería como medio principal de intercambio de información, retroalimentación y requisitos, en lugar de basarse en documentos. Implica todo el proceso de captura, comunicación y garantía de que todos los modelos digitales que utilizamos para representar un sistema están coordinados y se mantienen durante todo el ciclo de vida del sistema.

Antes de 1990, un diseño de ingeniería de sistemas era probablemente un montón de papeles y documentos relacionados que contenían dibujos, diagramas, fórmulas matemáticas, requisitos y otras especificaciones sobre el funcionamiento del sistema. Pero en esa época los proyectos se volvieron demasiado grandes para depender de documentos inconexos. Los problemas eran (entre otros)

• + El mantenimiento de las especificaciones de diseño a medida que el concepto del sistema evolucionaba: Si un ingeniero cambiaba una sola dimensión en un documento, tenía que recorrer toda la pila de documentos y asegurarse de que ese mismo cambio se realizaba en todos los demás documentos que contenían esa dimensión. Si existían otras copias, no se podía estar seguro de que el cambio se hubiera registrado en todas ellas.
• + Interpretación humana: Es perfectamente posible que dos ingenieros lean la misma frase de la especificación y obtengan significados diferentes, dadas las ambigüedades de los sistemas de escritura y comprensión humanos.
• + Verificabilidad: ¿Cómo se puede estar seguro de que un cálculo realizado en una página del modelo no tiene errores antes de utilizarlo como entrada para otro cálculo más avanzado en el proceso?

El MBSE se desarrolló para sustituir los documentos estáticos por modelos digitales «inteligentes» que contienen todo lo importante del sistema: los requisitos, la arquitectura y las interfaces entre las piezas del sistema. En lugar de documentos en papel que, en el mejor de los casos, estaban organizados en carpetas, estos modelos digitales están conectados por un «hilo digital» que puede seguirse para comprender todo el diseño.

El modelo general del arquitecto de sistemas (SAM) sirve de «fuente de verdad autorizada» para todos los que trabajan en el proyecto. Este modelo digital tiene una ubicación central a la que pueden acceder todos los ingenieros que trabajan en el proyecto, pero no puede modificarse independientemente de los demás, preservando la fuente única de verdad. Cualquier cambio realizado se propaga automáticamente por todo el modelo y el software comprueba su coherencia y precisión internas.

Los componentes básicos del MBSE

El MBSE se basa en tres componentes principales:

1. El SAM, en el que el sistema que se diseña se representa mediante una serie de diagramas de bloques conectados para describir la arquitectura física y funcional del sistema. También contiene una lista exhaustiva de las cualidades que debe tener el sistema o las funciones que debe realizar (los requisitos). Los SAM se crean con programas de software especializados y utilizan lenguajes creados específicamente para describir las arquitecturas de los sistemas.
2. Software de simulación de ingeniería. Una SAM puede compararse con un dibujo de diseño asistido por ordenador (CAD): Describe el sistema en detalle, pero no hay forma de saber, sólo con la SAM, si el sistema cumple los requisitos. Para ello, la SAM debe ir acompañada de una simulación de ingeniería. Si el avión que se está diseñando debe resistir 6 Gs, los ingenieros deben realizar una simulación para saber si el avión que están diseñando está preparado para la tarea. Dado que un sistema complejo puede requerir que los ingenieros ejecuten muchos tipos diferentes de solucionadores de simulación -estructurales, de fluidos, electromagnéticos, de software embebido, de seguridad, de ciberseguridad, etc.- es importante poder utilizar muchos tipos diferentes de herramientas de simulación.
3. Un centro de cálculo centralizado. Este centro de cálculo centralizado, ya sea en las instalaciones de la empresa o en la nube, contiene el SAM y el software ejecutable. Realiza todas las funciones y almacena todos los resultados del proceso MBSE.

Conseguir un entorno MBSE con el software Ansys

En el MBSE, la combinación de las herramientas de simulación SAM, CAD y de ingeniería asistida por ordenador (CAE) crea el «hilo digital» que une todos los modelos y datos de ingeniería. Esto ocurre al principio del ciclo de diseño y sigue funcionando durante todo el ciclo de vida operativo del producto hasta que se retira del uso. Cuando se realizan cambios, el hilo digital garantiza que las actualizaciones de un modelo se transfieran automáticamente a todos los modelos del sistema.

El software Ansys no crea el SAM, sino que proporciona la amplia gama de simulaciones de ingeniería necesarias para verificar el diseño del sistema y, lo que es más importante, una forma de conectarlos. Ansys ModelCenter, el producto de software obtenido cuando Ansys adquirió Phoenix Integration en 2021, proporciona esa conexión entre el software de simulación de ingeniería y el SAM, permitiendo a los ingenieros verificar virtualmente sus diseños. Así, si está trabajando en un proyecto que tiene modelos digitales que contienen simulaciones estructurales, de fluidos, electromagnéticas, de seguridad y de software embebido, ModelCenter coordinará el funcionamiento y la recopilación de datos de Ansys Mechanical, Ansys Fluent, Ansys HFSS, Ansys medini analyze, Ansys SCADE y cualquier otra herramienta de simulación, y conectará estas simulaciones a la SAM para permitir el MBSE. En consonancia con la estrategia corporativa general de Ansys de ofrecer un ecosistema abierto, ModelCenter es una solución neutral en cuanto a proveedores que puede automatizar la ejecución de cualquier herramienta de simulación dentro de un flujo de trabajo, incluso las de otros proveedores de software.

A medida que avanza el ciclo de diseño y se perfecciona el diseño del producto, los ingenieros pueden utilizar la tecnología MBSE de Ansys para evaluar si el sistema tal y como se ha diseñado cumple los requisitos especificados o si es necesario realizar cambios. Cuando se introducen cambios en los requisitos o en el SAM, todo el procedimiento puede repetirse hasta que los resultados satisfagan las especificaciones, verificando que el diseño funcionará como está previsto durante toda la vida útil del producto. Sólo cuando se hayan satisfecho los requisitos, el equipo construirá un prototipo físico del diseño para realizar pruebas físicas con él.

El valor del MBSE radica en que permite tomar mejores decisiones a lo largo del ciclo de vida del diseño, y tan pronto como sea posible. Cuanto antes identifique una parte interesada un problema, más fácil y barato será corregirlo.

MBSE aporta valor desde los requisitos hasta la retirada, ya que permite un enfoque disciplinado de la ingeniería de sistemas. Los modelos digitales pueden inspeccionarse, verificarse y validarse con una única fuente de verdad, garantizando la coherencia interna de los modelos que mejora la entrega, el rendimiento del producto y los resultados finales.

MBSE en acción: Diseño de aviones de alto rendimiento

Como ejemplo, imaginemos que las Fuerzas Aéreas han sacado una licitación para diseñar un nuevo avión que pueda volar 3000 millas con una sola carga de combustible. Puede diseñar, construir y probar el avión a la antigua usanza, o puede utilizar un enfoque basado en modelos.

Si decide utilizar un enfoque MBSE para diseñar este complejo avión nuevo, primero creará una SAM que documente todos los requisitos importantes del avión (incluido el requisito de que debe ser capaz de volar 3000 millas con una sola carga de combustible). A continuación, se utilizaría la SAM para describir el diseño que se pretende construir, incluida la arquitectura del sistema, el comportamiento deseado, las interfaces entre los componentes del sistema, etc. Llegados a este punto, se utilizaría la simulación para verificar que el diseño descrito cumple todos los requisitos (tanto físicos como de comportamiento). La simulación incluiría simulaciones de fluidos para verificar la aerodinámica, simulaciones estructurales para verificar la resistencia mecánica, simulaciones electromagnéticas para verificar las funciones de los dispositivos de comunicación, etc.

Para aplicaciones más complejas, basadas en misiones, los ingenieros pueden utilizar software de ingeniería de misión digital para simular la compleja estructura del «sistema de sistemas» de las modernas misiones aeroespaciales y de defensa. La ingeniería digital de misiones combina el modelado digital, la simulación, las pruebas y el análisis de aplicaciones aeroespaciales, de defensa, de telecomunicaciones y de inteligencia para evaluar los resultados de las misiones en cada fase del ciclo de vida de un sistema. Estas misiones pueden incluir cientos de sistemas de armas terrestres, aéreos, acuáticos o espaciales que deben comunicarse y coordinar sus acciones. La simulación digital de ingeniería de misiones permite a los ingenieros y al personal militar ejecutar virtualmente una misión complicada mediante simulaciones basadas en la física, lo que les da confianza en la misión.

En un ejemplo del mundo real, Lockheed Martin Space realizó MBSE utilizando Ansys ModelCenter para simular la trayectoria de la misión de la nave espacial OSIRIS-Rex, cuya misión era tomar una muestra de un asteroide en una operación de «toque y arranque». En octubre de 2020, OSIRIS-REx realizó con éxito esta maniobra para recoger al menos 60 gramos, un tamaño de muestra mucho mayor que el de cualquier otra misión de recuperación de muestras anterior. Está previsto que devuelva la muestra a la Tierra en 2023.

«La automatización y la integración de la simulación en este modelo de sistema permite al equipo identificar rápidamente los posibles problemas con los cambios en los requisitos de la misión, así como realizar una verificación continua de los requisitos y los parámetros de diseño de la misión a lo largo del ciclo de vida de la nave espacial…», dijo Phathom Athena Donald, ingeniero de sistemas de Lockheed Martin Space. «La mejora general con respecto al proceso original fue de aproximadamente 7 veces más rápido en el tiempo de entrega».

El Departamento de Defensa de Estados Unidos impulsa la adopción del MBSE

El mayor impulso al MBSE vino, con mucho, del Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD), que publicó el DoDI 5000.02 el 7 de enero de 2015. El anexo 3, sección 9 de este documento aborda el modelado y la simulación. La primera línea dice: «El director del programa integrará las actividades de modelado y simulación en los esfuerzos de planificación e ingeniería del programa». Con esta simple declaración y los detalles que siguen en el DoDI 5000.02, el DoD esencialmente hizo del MBSE un requisito para todas las propuestas relacionadas con la defensa y los sistemas de armas de Estados Unidos. Esta directiva ha convertido al sector de A&D en el principal defensor del MBSE, en gran parte como una forma de evitar retrasos y sobrecostes en los proyectos.

Sobre la base de este requisito del Departamento de Defensa, Northrop Grumman presentó en 2020 una propuesta basada en MBSE que le valió el contrato principal para el proyecto Ground Based Strategic Deterrent (GBSD) de las Fuerzas Aéreas estadounidenses. El GBSD está diseñado para modernizar la infraestructura nuclear terrestre de Estados Unidos, sustituyendo el anticuado sistema de misiles balísticos intercontinentales (ICBM) LGM-30 Minuteman III por un sistema de armas integrado que satisfaga los requisitos de defensa hasta 2075.

Pero, si bien el sector de I+D está a la cabeza, otros sectores se están poniendo rápidamente al día. La industria del automóvil, en busca de soluciones para los complejos retos de la conducción autónoma, también está adoptando rápidamente el MBSE. A medida que aumenta la complejidad en otros sectores, como los semiconductores, los dispositivos médicos, las energías alternativas, la red inteligente y las comunicaciones 5G, entre otros, es probable que la adopción de MBSE se acelere también en ellos.

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