Einsatz von Analyse- und Simulationswerkzeugen für das dynamische Verhalten von vernetzten Systemen
Zielstellung:
Das übergeordnete Ziel ist, die Ableitung eines numerischen Simulationsmodells aus dem Systemmodell zu untersuchen und dabei zu zeigen wie ein durchgängiger Übergang von dem Systemmodell zur Simulation in einer frühen Phase der Entwicklung aussehen kann.
Ergebnisse:
Die Möglichkeiten für den Übergang vom Systemmodell zur numerischen Simulation wurden vor dem Hintergrund ihrer Modellierungstiefe im Systemmodell untersucht. Als Modellierungssprache für das Systemmodell kam die Systems Modeling Language (SysML) zum Einsatz. Der Betrachtungsfokus der Untersuchungen wurde auf eine frühe Entwicklungsphase mit erster interdisziplinärer Simulation gelegt. Die nachfolgende Abbildung verortet den Betrachtungsfokus im klassischen V-Modell.
Abbildung 1: Betrachtungsfokus der Untersuchungen.
Die Heterogenität von vorhandenen Entwicklungsumgebungen bzw. Modellierungssprachen, wie beispielsweise UML, SysML, Simulink, Modelica, Simscape, Amesim oder Plant Simulation, führten zu einer Einteilung der Übergangsmöglichkeiten in drei Kategorien mit unterschiedlichen Modellierungstiefen.
Tabelle 1: Untersuchte Übergangsmöglichkeiten mit unterschiedlicher Modellierungstiefe in SysML.
Für Systemmodelle auf Basis von UML/SysML wurden bereits existierende Ansätzen, wie ModelicaML und SysML4Modelica, vor dem Hintergrund ihrer Anwendbarkeit analysiert. Aus der Analyse ergab sich die Notwendigkeit eines generischen und sprachenunabhängigen Konzepts zur Synchronisation verschiedenartiger Informationen aus System- und Simulationsmodellen. Das Konzept sollte zudem für alle Kategorien der Modellierungstiefe anwendbar sein. Nachfolgend sind die Kernbestandteile des entwickelten Synchronisationskonzepts dargestellt.
Abbildung 2: Kernbestandteile des Synchronisationskonzepts.
Das Synchronisationskonzept ermöglicht sowohl die Ausleitung von einzelnen simulationsrelevanten Parametern aus dem Systemmodell als auch die komplette Generierung des Simulationsmodells bzw. der Vorgabe der Simulationsmodells als Template („Rohling“). Mit dem Synchronisationskonzept kann der Modellierungsaufwand deutlich reduziert werden, indem über die Zugriffsfunktionen (teil-)automatisch Simulationsmodelle aus dem Systemmodell erzeugt und parametriert werden können.
Das Synchronisationskonzept wurde anhand eines Umsetzungsbeispiels validiert. Dabei wurde ausgehend von einem im SysML-Autorentool Cameo Systems Modeler (Firma NoMagic Inc.) modellierten Systemmodell automatisiert ein in Matlab/Simulink (Firma Mathworks Inc.) erstelltes Simulationsmodell parametriert. Zwischenschicht und Systemmodell wurden in der gleichen Modellierungssprache (SysML) modelliert, wodurch sich der nachfolgend dargestellte spezifische Anwendungsfall des allgemeinen Synchronisationskonzepts ergibt.
Abbildung 3:Eckdaten des Umsetzungsbeispiels
Abbildung 4 fasst die Vorteile des Synchronisationskonzepts zusammen.
Abbildung 4: Vorteile des Synchronisationskonzepts
Übergangsmöglichkeiten aus technischer Sicht mit IBM Rhapsody
Die Übergangsmöglichkeiten vom System- zum Simulationsmodell wurden neben der Sicht der Modellierungstiefe auch aus Sicht der technischen Möglichkeiten einen Informationsaustausch von einem mit Rhapsody erstellten Systemmodell und einem numerischen Simulationstool zu realisieren untersucht. Dazu erfolgte die automatisierte Parametrierung eines Simulinkmodells über drei verschiedene Schnittstellen: einer in Rhapsody integrierten Schnittstelle zu Simulink, einem prototypisch implementierten XMI-Parser und einem prototypisch implementierten Java-Programm, das sich der API von Rhapsody bedient.
Abbildung 5: Übergangsmöglichkeiten aus technischer Sicht.
Die Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Schnittstellen führte zu einer Favorisierung der API-Schnittstelle, welche einen bidirektionalen Informationsaustausch ermöglichte.
Tabelle 2: Zusammenstellung der Vor- und Nachteile der untersuchten Schnittstellen.
Die bei dieser Schnittstellenbetrachtung gewonnen Erkenntnisse haben dazu geführt die Zugriffsfunktion beim oben erwähnte Umsetzungsbeispiel auf Basis der API von Cameo Systems Modeler zu realisieren.