3 Jun 2022

Beneficios de la ingeniería de sistemas basada en modelos (MBSE) para el sector industrial

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LA COMPLEJIDAD CRECIENTE DE PRODUCTOS QUE INTEGRAN CADA VEZ MÁS SOFTWARE

El uso de sistemas electrónicos programables y de control es algo habitual en múltiples sectores industriales desde hace tiempo. Sin embargo, en los últimos años, la tendencia imparable hacia los sistemas conectados y el aumento exponencial en el uso de software y electrónica en todo tipo de maquinaria y componentes ha agregado una gran complejidad a los productos y sistemas avanzados de hoy en día.

Esta complejidad tiene importantes implicaciones en aspectos clave como el garantizar la propia funcionalidad del sistema en condiciones externas cambiantes, la seguridad de uso o el mantenimiento y asistencia técnica posteriores.

Para lidiar con esta complejidad, los equipos de ingeniería de producto ahora se enfrentan a nuevos desafíos: el proceso de diseño y fabricación debe considerar unas nuevas dimensiones e interacciones que lo hacen mucho más complejo, ya que la combinación de elementos mecánicos, sus materiales, la electrónica, el software, las comunicaciones o los algoritmos de control conllevan escenarios y situaciones que pueden no ser comprendidas adecuadamente desde los equipos de diseño o desarrollo.

Y, claramente, esta tendencia se está acentuando impulsada por los conceptos de sistemas en el universo interconectado de la Internet industrial de las cosas (IIoT) y la Industria 4.0. como se puede observar en varios sectores empresariales:

Automoción

En la actualidad, un vehículo actual puede incorporar hasta 50 procesadores embebidos y donde las cuatro mayores innovaciones de los últimos años (vehículos autónomos, conectividad, electrificación y movilidad compartida) dependen en gran medida del software. Elon Musk reconoció en una entrevista que “Hemos diseñado el Model S con el objetivo de crear un muy sofisticado software con ruedas” y en la actualidad un vehículo integra 100 millones de líneas de código.

Aeronáutica

Pioneros en este campo, ya hace años que se generó una disciplina ingenieril centrada en los sistemas electrónicos de vuelo como es la aviónica. Los principales fabricantes como Airbus o Boeing combinan la ingeniería basada en modelos MBSE y el Diseño Multidisciplinar (Multidisciplinary Design Analysis and Optimization, MDAO) para la sistemática de diseño, construcción y testeo de productos de inherente complejidad.

Maquinaria y equipos industriales

La digitalización de los productos conlleva incluir nuevas capacidades de monitorización remota, control inteligente, interacción con sensores y dispositivos IoT (Internet of Things) o autonomía en la toma de decisiones entre otras.

En resumen, esta complejidad creciente hace que la mayoría de los productos en múltiples sectores sean mecatrónicos o ciberfísicos, entendidos como aquellos que están formados por diversos componentes mecánicos, electrónicos y de software que interaccionan entre sí y, potencialmente, con otros sistemas. La transformación digital de los productos ha derivado en la necesidad de abordar un proceso de diseño y construcción que combine todas las perspectivas desde un inicio, incluyendo características de sostenibilidad o requisitos medioambientales para conseguir un producto climáticamente neutro.

INGENIERÍA DE SISTEMAS BASADA EN MODELOS COMO SISTEMÁTICA PARA GESTIONAR LA COMPLEJIDAD

Los sistemas ahora pueden definirse por cientos o incluso miles de requisitos e incluir miles de componentes individuales con millones de líneas de software integrado. Estas soluciones complejas tienen un mayor riesgo de fallos debido a las interacciones de los elementos que lo componen y las posibles situaciones de error que pueden aparecer.

Es por ello por lo que los procesos de verificación y validación deben hacer frente a millones de combinaciones y situaciones que requieren de un elevado grado de automatización para poderlos llevar a la práctica.

Con la idea de abordar esta problemática surge la ingeniería de sistemas basada en modelos (Model-Based Systems Engineering, MBSE) como una forma metodológica de abordar el desarrollo de un producto que utiliza modelos en lugar de documentos, apoyándose en un entorno virtual que, a modo de hilo digital, cubre todo el ciclo de vida desde la especificación de requisitos, el análisis de alternativas, el diseño, la construcción, hasta la verificación y la validación o el cumplimiento normativo.

Un modelo es una representación parcial de un elemento (p. ej. una parte del sistema o un resultado de una fase del desarrollo) que puede ser procesado de forma automática como entrada y/o salida de otros pasos del ciclo.

La organización Internacional de Ingeniería de Sistemas (International Council on Systems Engineering, INCOSE), predice en su visión para el año 2025 que “la ingeniería de sistemas basada en modelos se convertirá en la norma” para el desarrollo de sistemas, a través de la creación y uso de “un entorno de ingeniería virtual que incorporará modelado, simulación y visualización para apoyar todos los aspectos de la ingeniería de sistemas al permitir una mejor predicción y análisis de conductas emergentes complejas”. Para su visión en 2035, predice que “El futuro de la ingeniería de sistemas se basa predominantemente en modelos”.

QUÉ APORTA MBSE A LA INDUSTRIA

La razón principal que lleva a una organización a enfocar un desarrollo de producto basado en modelos es facilitar el entendimiento y la alineación entre quienes definen lo que se está construyendo y los responsables de diseñar e implementar un sistema, algo que se consigue con una definición de necesidades a un mayor nivel de abstracción y su descomposición en requisitos de usuario y técnicos que son trazables y verificables.

En la literatura encontramos evidencias de que existe una ventaja significativa para el desempeño del proyecto al aplicar un enfoque MBSE, destacando entre otras:

  • Mejora la eficiencia del equipo de ingeniería: se reduce el esfuerzo en el diseño y desarrollo de sistemas complejos, especialmente en las tareas de garantizar la integridad, consistencia y comunicación de los requisitos, automatizar los procesos de verificación y validación y facilitar la detección y corrección de posibles defectos.
  • Permite diseñar un producto considerando múltiples escenarios: la descomposición de requisitos en base a modelos ayuda a presentar una versión simplificada de un concepto o estructura de sistema y, de esta forma, se pueden examinar escenarios bajo diversas hipótesis y construir entornos que permiten ayudar a tomar decisiones de diseño en etapas tempranas del desarrollo.
  • Agiliza el ciclo de desarrollo: un enfoque basado en modelos aleja a los equipos de los documentos y los traslada a un entorno digital en el que las decisiones pueden ser validadas en base a modelos, sin necesidad de construir ni siquiera prototipos, lo que agiliza el ciclo de desarrollo.
  • Reduce el retrabajo: debido a que se pueden encontrar defectos en una temprana del proceso de desarrollo se evitan el retrabajo a nivel de diseño, construcción o validación.
  • Permite desdoblar los equipos de desarrollo: un enfoque basado en MBSE facilita la visión global de un producto en base a su arquitectura y componentes, lo que permite desdoblar en paralelo los equipos de hardware y software que pueden evolucionar sus diseños en base a interfaces y contratos definidos, verificando sus desarrollos en base a técnicas de emulación o simulación que garanticen la futura integración exitosa.
  • Aumenta la calidad del resultado: el uso de un hilo digital que acompaña a todo el ciclo de vida del proceso de construcción facilita la generación automática de millones de escenarios de prueba, incluidas aquellas necesarias para un cumplimiento normativo, que ayudan a garantizar una cobertura de pruebas elevada para cada una de las necesidades, lo que redunda en un mejor producto, más sostenible y eficiente.
Beneficios de la ingeniería de sistemas basada en modelos (MBSE) para el sector industrial

Un reciente estudio muestra que los sectores principales de aplicación de MBSE son automoción, aeronáutica, maquinaria y TIC, siendo su mayor preocupación garantizar la seguridad y la robustez de los productos o componentes fabricados.

En definitiva, MBSE no sólo ayuda a mejorar la eficiencia del diseño y desarrollo de sistemas, sino que permite que los productos incorporen todas las funcionalidades que requiere el mercado de forma segura, a pesar de la enorme complejidad que ello suponga.

ITAINNOVA Y LA CONSTRUCCIÓN DE PRODUCTOS COMPLEJOS

El equipo de Mecatrónica y Robótica de ITAINNOVA está trabajando de forma multidisciplinar para abordar los retos del diseño y desarrollo de productos complejos que combinan mecánica, electrónica, control avanzado y software, con un enfoque basado en modelos.

  • Apoyamos el diseño y desarrollo de productos complejos desde la captura de necesidades hasta su validación.
  • Contamos con metodologías para garantizar el diseño de productos robustos y seguros.
  • Disponemos de técnicas y herramientas de modelado y simulación para crear sistemas de control avanzados.
  • Contamos con infraestructuras para verificar y validar sistemas, ya sea a nivel de modelo (Model in-the-loop, MiL), su software (Software in-the-loop, SiL) o hardware (Hardware in-the-loop, HiL).
  • Construimos sistemas mecatrónicos y robóticos de aplicación multisectorial.
  • Integramos las dimensiones del diseño mecánico, control y software de forma multidisciplinar.

Si quieres conocer más, ¡pregúntanos!

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AUTOR

Miguel Ángel Barcelona,
Mecatrónica