Model-Based Systems Engineering sicherheitskritischer Anwendungen im Maschinenbau mittelständischer Unternehmen

Abstract

Das Promotionsprojekt widmet sich der Anwendung des modellbasierten Systems Engineerings (MBSE) für die Entwicklung sicherheitskritischer Systeme im Maschinenbau, insbesondere für kleine und mittelständische Unternehmen (KMUs). Das Hauptziel ist die Steigerung von Qualität und Sicherheit der Systeme und gleichzeitig die Berücksichtigung der Ressourcen und Anforderungen von KMUs, um ihnen einen verbesserten Marktzugang zu ermöglichen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden SysML/UML durch spezifische Profile erweitert, um die Bedürfnisse der Stakeholder im Maschinenbau, insbesondere bei der Entwicklung von Prüfmaschinen, abzubilden. Zudem werden domänenspezifische Sicherheitsanalysemethoden, wie Risikographen zur Risikobeurteilung und dynamische Fehlerbaumanalyse sowie sicherheitsbezogene Blockdiagrammmethoden zur Beurteilung der Risikominderung, als Erweiterung von OMG Risk Analysis and Assessment Modeling Language (RAAML) integriert und in Papyrus implementiert. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung eines Konzepts zur losen Kopplung von Analysewerkzeugen an die Modellierungsplattform. Dieses Konzept erleichtert die Wiederverwendung von domänenspezifischen Werkzeugen, vereinfacht die Anwendbarkeit und reduziert den Integrationsaufwand für KMUs. Die Implementierung erfolgt durch die Anbindung der Analysewerkzeuge Stormchecker und SISTEMA mittels LabVIEW, das in der Maschinenbauindustrie weit verbreitet ist und Transformatoren für den Export von Artefakten, der Analysewerkzeugausführung und dem Reimport von Ergebnisdaten dient. Die Ergebnisse werden anhand einer Fallstudie einer Batteriezellenprüfmaschine und durch Interviews mit den Stakeholdern des KMUs ProNES Automation GmbH evaluiert. Die Dissertation präsentiert einen anwendbaren Ansatz für technische Stakeholder in KMUs des Maschinenbaus, der eine direkte Annotation der maschinenbauspezifischen Risikobeurteilung und Sicherheitsanalysemethoden ermöglicht. Die vorgestellte Lösung bietet eine praxisnahe Möglichkeit, MBSE effizient in KMU-Prozesse zu integrieren und die Entwicklung sicherheitskritischer Maschinen zu verbessern.

This project focuses on applying Model-Based Systems Engineering (MBSE) to develop safetycritical mechanical engineering systems, specifically targeting small and medium-sized enterprises (SMEs). The primary objective is to enhance the quality and safety of systems while considering the resources and requirements of SMEs, enabling them to achieve improved market access. To achieve this goal, SysML/UML is extended through specific profiles to capture the needs of stakeholders in mechanical engineering, particularly in the development of testing machines. Additionally, domain-specific safety analysis methods such as risk graphs for risk assessment and dynamic fault trees and safety-related block diagrams for risk mitigation assessment are integrated as extensions to the OMG Risk Analysis and Assessment Modeling Language (RAAML) and implemented in Papyrus. Another crucial aspect of this project involves the formulation of a concept for loosely coupling various analysis tools with the modeling platform. This concept facilitates the reuse of domainspecific tools, simplifies applicability, and reduces integration efforts for SMEs. The Implementation is realized by connecting the analysis tools Stormchecker and SISTEMA using LabVIEW, a widely used tool in the mechanical engineering industry, which serves as a transformer for exporting artifacts, executing analysis tools, and reimporting result data. The outcomes are evaluated through a case study involving a battery cell testing machine and stakeholder interviews with ProNES Automation GmbH, an SME. The dissertation presents an applicable approach for technical stakeholders in mechanical engineering SMEs, enabling direct annotation of mechanical engineering-specific risk assessment and safety analysis methods. The proposed solution offers a tangible avenue for the efficient integration of MBSE practices within the operational processes of SMEs, thereby contributing to the enhanced development of safety-critical machinery.