Technische Universität Darmstadt
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Die Entwicklung aktiver Systeme ist gekennzeichnet durch die Integration von elektronischen Komponenten in mechanische Strukturen. Dabei wird das Verhalten des Gesamtsystems auf innere und äußere Einflüsse durch den gezielten Einsatz von intelligenten Regelkreisen beeinflusst.

Mechatronische Systeme zeichnen sich dabei durch die Integration von Aktoren und Sensoren in bestehende mechanische Strukturen aus. In der Adaptronik, als Weiterentwicklung zur Mechatronik, sind die elektronischen Komponenten vollständig strukturell integriert [1]. Dieser hohe Integrationsgrad erfordert auch in der Entwicklung aktiver Systeme eine enge Vernetzung der einzelnen Fachdisziplinen.

Für die Entwicklung mechatronischer Systeme wird heutzutage oftmals ein Vorgehen gemäß des V-Modells nach der VDI-Richtlinie 2206 verwendet. Das V-Modell beschreibt die Entwicklung mechatronischer Systeme basierend auf einer systematischen Analyse der Anforderungen und einer Aufteilung der Anforderungen sowie der Lasten auf die einzelnen Fachdisziplinen [2]. Die detaillierte Entwicklung erfolgt daraufhin parallel und unabhängig voneinander in den einzelnen Fachdisziplinen. Die Ergebnisse der einzelnen Fachdisziplinen werden nach Abschluss der Entwicklung dann zu Subsystemen und Systemen integriert und hinsichtlich der Erfüllung der Anforderungen validiert.

Es zeigt sich jedoch, dass dieses Vorgehen oftmals zu Problemen in der Integrationsphase führt [3]. Durch die weitgehend unabhängige Entwicklung der disziplinspezifischen Komponenten erfüllen diese zwar ihre jeweiligen Anforderungen lassen sich jedoch nicht problemlos zu Gesamtsystemen kombinieren. Dies ist in der Regel den in der Entwicklung ungenügend berücksichtigten Abhängigkeiten zwischen den Komponenten und der fehlenden Kommunikation zwischen den Fachdisziplinen geschuldet.

Die Probleme in der Integration führen dabei zu einer hohen Anzahl an Iterationen in welchen die disziplinspezifischen Lösungen nach Abschluss der eigentlichen Entwicklung nachträglich angepasst und erneut integriert und analysiert werden müssen.

Die Weiterentwicklung der Mechatronik hin zur Adaptronik benötigt daher nicht nur tiefgreifende Weiterentwicklungen im Bereich der Mechanik, Elektronik, Informationstechnik (IT) sowie der Werkstoffwissenschaften, sondern auch eine Anpassung und Weiterentwicklung der Methoden der modernen virtuellen Produktentwicklung.

Die Methoden der Produktentwicklung müssen zukünftig nicht nur in der Lage sein die Entwicklungsarbeiten aller Fachdisziplinen zu steuern, sondern auch die Möglichkeit bieten, die Ergebnisse der beteiligten Disziplinen gegeneinander abzugleichen. Hierfür muss der Zeitpunkt der Integration in immer frühere Phasen der virtuellen Produktentwicklung verschoben werden.

Um der strukturellen Integration mechatronischer und adaptronischer Systeme und dem hohen Vernetzungsgrad der verschiedenen Fachdisziplinen in der Systementwicklung gerecht zu werden, wird vom Fachgebiet DiK der TU Darmstadt das W-Modell als ein neues Vorgehensmodell zur Entwicklung aktiver Systeme, basierend auf dem V-Model, vorgeschlagen.

Abbildung 1: W-Modell zur Entwicklung aktiver Systeme vgl. [4]

Das W-Modell sieht dabei ein Vorgehen vor, welches zu Beginn und zum Abschluss der Entwicklung aktiver Systeme mit dem V-Model weitgehend identisch ist. In beiden Vorgehensmodellen erfolgen dabei zu Beginn eine Analyse der Anforderungen sowie eine Aufteilung der Lasten auf die beteiligten Fachdisziplinen. Der Entwicklungsprozess schließt in beiden Modellen mit einer Integration und Analyse der Disziplinspezifischen Lösungen zu vollständigen Systemen. Der wesentliche Unterschied des W-Modells zum V-Modell zeigt sich vor allem während der Entwicklung der disziplinspezifischen Komponenten, welche im W-Modell nicht unabhängig voneinander erfolgt [4].

Stattdessen findet eine Integration der digitalen Modelle der teildisziplinspezifischen Lösungen zur virtuellen Absicherung des interdisziplinären Entwicklungsergebnisses statt. Dabei spielen neuartige Methoden der Analyse und Simulation eine erhebliche Rolle.

Das W-Modell sieht darüber hinaus die Nutzung eines speziellen Datenmanagements vor, welches nicht nur eine zentrale Verwaltung der Datensätze aller Fachdisziplinen sowie eine Steuerung aller Entwicklungsarbeiten vorsieht, sondern auch in der Lage ist, die disziplinspezifischen Datensätze zu analysieren und disziplinübergreifend zu synchronisieren. Dadurch ist das Datenmanagementsystem in der Lage zu jedem Zeitpunkt der Produktentwicklung eine Aussage über den Zustand und das Verhalten des zu entwickelnden Systems zu geben, sowie die Kompatibilität der disziplinspezifischen Komponenten und Teilsysteme zu gewährleisten [5].

Im W-Modell werden hierfür die Prinzipien des Systems Engineering angewendet. Das Datenmanagementsystem nutzt ein formales Systemmodell, welches unter anderem die Systemelemente,  -eigenschaften und -parameter abbildet. Hierdurch können die Abhängigkeiten zwischen den Fachdisziplinen analysiert und disziplinspezifische Ergebnisse und Änderungen auf die Arbeiten anderer Disziplinen abgebildet werden. Die Nutzung des Datenmanagementsystems in Verbindung mit einem globalen Systemmodells bietet zudem die Möglichkeit die zu entwickelnden Systeme auf Änderungen externer Randbedingungen oder neue Erkenntnisse aus realen Versuchen oder Prototypentests zu untersuchen und anzupassen.

Durch die Nutzung dieses Datenmanagementsystems wird es damit möglich zu gewährleisten, dass das zu entwickelnde System nicht nur in jedem Entwicklungsstand den Anforderungen genügt sondern auch dass sich die disziplinspezifischen Lösungen zu Subsystemen und Systemen integrieren lassen.

Literatur

[1] Bös, J; Bein, T; Hanselka, H.: LOEWE-Zentrum AdRIA: First results and future plans, In: Proceedings of the Forum Acusticum 2011, S. 647–652. Aalborg, Denmark, 2011.

[2] Verein Deutscher Ingenieure (VDI), 2004, VDI 2206, Entwick    lungsmethodik für mechatronische Systeme, Beuth Verlag, Berlin, Germany

[3] ProSTEP iViP Association, 2009, Mechatronic Process Integration (MPI), Abschlussbericht, ProSTEP iViP Documentation, Darmstadt, Germany

[4] Nattermann, R. Anderl, R.: Approach for a Data-Management-System and a Proceeding-Model for the Development of Adaptronic Systems, In: Proceedings for the ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition (IMECE), Vancouver, 2010

[5] Nattermann, R., Anderl, R.: Simulation Data Management Approach for Developing Adaptronic Systems – The W-Model Methodology, In: Proceedings of the WASET 2011 International Conference in Software and Data Engineering (ICSDE), Bangkok, 2011