Op de Sysarch-conferentie van vorig jaar sprak modelgebaseerde systems engineering-expert Jon Holt met Ger Schoeber van het High Tech Institute over de MBSE-training. “Over vijf jaar is alle systeemengineering gebaseerd op modellen”, aldus Holt, momenteel technisch directeur van Incose UK.
Met zijn zwarte outfit wordt Jon Holt eerder herkend als goochelaar dan als systeemingenieur. Eigenlijk is hij beide.
Laten we beginnen met de magie. Dit is het materiaal dat hij gebruikt om te inspireren. Als professioneel goochelaar treedt hij op tijdens muziekfestivals en verschillende wetenschappelijke en technologische evenementen, waarbij hij magie, gedachtelezen en soms escapologie gebruikt om technische principes uit te leggen. “We doen dingen die gebaseerd zijn op wiskunde, wetenschap en geheugentechnieken. Ik probeer mensen bijvoorbeeld uit te leggen hoe belangrijk visualisatie als ontwerpconcept is.” Hij glimlacht: “Er zit ook een egoïstisch aspect aan. Ik geniet er ook van. Geef me een kans om te pronken en ik grijp hem.”
Jon Holt: “Geef me een kans om te pronken en ik grijp hem.”
Holt heeft ook een rijmend verhalenboek geschreven over systeemengineering, gericht op kinderen van zeven tot elf jaar. Als technisch directeur van de International Council on Systems Engineering (Incose) in het Verenigd Koninkrijk werkt hij samen met beroepsorganisaties die zich richten op gezinnen met kinderen om dat bewustzijn te vergroten. “Het is belangrijk dat we niet alleen denken aan waar we staan, maar ook aan de volgende generatie van alle ingenieurs.”
Holt komt veel misvattingen over engineering tegen. “De term wordt heel slecht begrepen. Veel mensen denken nog steeds dat ik dingen repareer die kapot zijn. Nou, niet helemaal. Engineering wordt gezien als saai of niet interessant. Voor mij is dat absoluut niet waar. Kijk naar de ongelooflijke systemen waar we aan werken. Kinderen zijn nu niet meer van hun mobiele telefoon te scheiden. Ik wil mensen graag de techniek in die telefoon laten waarderen.”
Incose heeft Holt aangewezen als een van de 25 meest invloedrijke systems engineers van de afgelopen 25 jaar. Hij wordt internationaal erkend als expert op het gebied van modelgebaseerde systeemengineering (MBSE) en is de auteur van 17 boeken over dit onderwerp. Hij is ook hoogleraar systems engineering aan de Cranfield University.
'In five years, all systems engineering will be model based.'
In Holts carrière heeft MBSE een centrale rol gespeeld. Op de Bits&Chips Sysarch-conferentie vorig jaar in Eindhoven stelde hij dat alle systems engineering in 2025 gebaseerd zou zijn op modellen. “Als je meer dan 10 jaar teruggaat, besteedde ik al mijn tijd aan discussies met mensen over de vraag of modelleren een goed idee is. Op conferenties gooiden mensen dingen naar me omdat ze niet wilden modelleren”, herinnert hij zich. Maar dit is veranderd. “Nu is de vraag niet meer: moeten we modelleren? Maar eerder: hoe kunnen we effectief en efficiënt modelleren?”
Holt ziet de verschuiving in zijn werk met grote multinationale organisaties die productlevenscycli hebben die twintig jaar duren. “Zij willen die cycli verkorten. Kwaliteit is natuurlijk een punt van zorg, maar hun belangrijkste drijfveer om MBSE in te zetten is het verbeteren van de efficiëntie van hun processen. Ook de menselijke kant speelt een rol. Bedrijven willen er zeker van zijn dat hun personeel over de juiste vaardigheden beschikt en passen MBSE daarop toe.”
Vier veranderingen in complexiteit
Om de complexiteit uit te leggen, vergelijkt Jon Holt de oude Triumph Herald die hij in de jaren zeventig bezat met zijn meest recente auto. “De basisbehoefte is nog steeds om van A naar B te komen, de mens-machine interface is nog steeds een stuur, een versnellingspook en drie pedalen. Maar de complexiteit van deze systemen is de afgelopen decennia veranderd.” Hij beschrijft de verandering op vier specifieke manieren.
“De eerste manier waarop het is veranderd, heeft te maken met de systeemelementen. Ze waren voor 95 procent mechanisch. Waarschijnlijk was iets minder dan 5 procent elektrisch. De Triumph had mechanische interfaces en elektrische naar mechanische. Er waren maar heel weinig elektrische interfaces. Nu hebben we ook elektronica en software. Met deze elementen komen netwerken en communicatieprotocollen. We hebben veel meer complexiteit.”
Dan zijn er nog de beperkingen. “De enige veiligheidsmaatregelen in de oude auto waren de veiligheidsgordels voorin, en je hoefde ze niet eens te dragen – dat was optioneel. Achterin waren er geen veiligheidsgordels. Qua botsbeveiliging was de auto gemaakt van heel dik metaal. Je moest er alleen voor zorgen dat het dikker was dan datgene waar je tegenaan zou botsen. Dat was veiligheid in de jaren 60 en 70. Tegenwoordig zou je niet in een auto stappen zonder veiligheidsgordels te dragen. Een modern voertuig heeft airbags, antiblokkeerremmen en voorkomt dat je ergens tegenaan botst of een andere rijstrook oprijdt. De complexiteit is toegenomen. Niet alleen vanwege de beperkingen, maar ook vanwege de bron van al die beperkingen, zoals normen en wetgeving. Al deze best-practice modellen bestonden nog niet in de jaren 70.”
Ten derde is er de connectiviteit. “In mijn Triumph was ik de belangrijkste connectiviteit met de buitenwereld. Nu maakt de auto deel uit van een breder systeem van systemen. Hij maakt verbinding met de cloud, met verkeersborden, met het Britse en Europese wegennet en praat met andere auto’s. Dat brengt een heel nieuw niveau van connectiviteit met zich mee. Dat brengt een heel nieuw niveau van interfaces met zich mee. Ik heb een app die me altijd vertelt waar mijn elektrische scooter is.”
De vierde golf is de verschuiving in complexiteit. “In mijn oude auto zat de complexiteit in de verbrandingsmotor. De complexiteit is verschoven naar de software. De mechanische complexiteit van een motor in een modern elektrisch voertuig is heel erg laag, terwijl de complexiteit van de software heel erg hoog is. De software doet alle besturing en zorgt voor alle connectiviteit. In de afgelopen decennia is de complexiteit onherkenbaar toegenomen.”
Ingenieurs verbinden
Daarnaast zou modelmatig werken ook de sleutel kunnen zijn tot het verbinden van ingenieurs. Hier raken we aan de ambities van Ger Schoeber, de voorzitter van Incose Nederland, die we uitnodigden om met ons aan tafel te komen zitten tijdens het interview. Schoeber werkt sinds kort bij Lightyear als group lead systems engineering. Hij is ook verantwoordelijk voor systeem- en softwaretraining bij High Tech Institute. In zijn afgelopen jaren als voorzitter van Incose heeft hij gewerkt aan het overbruggen van de kloof tussen de technische werelden van infrastructuur en hightech.
Schoeber schildert deze twee zeer verschillende werelden zwart-wit: “Ingenieurs in openbare projecten hebben te maken met aannemers, onderaannemers en contracten. Hun focus is papierwerk en processen, en het systeem komt op de tweede plaats.” Aan de andere kant is de hightechindustrie commercieel gedreven. “Daar ligt de focus op time to market. Anders kunnen ze niet concurreren en zullen ze zeker de wereld niet veroveren. Daarom is de aanpak pragmatisch en gericht op het systeem, het product.”
Schoebers wortels liggen in de hightech, maar als voorzitter van Incose merkt hij op dat de leden van de Nederlandse afdeling doorgaans werken in infrastructuurprojecten, zoals de aanleg van spoorwegen, wegen en tunnelsystemen. “We hebben een grote hightechindustrie, maar niet veel ingenieurs kennen Incose.” De kans, volgens Schoeber: “Ik weet zeker dat beide werelden veel van elkaar kunnen leren.”
Enkele bron van waarheid
MBSE is een gemene deler, daar zijn Schoeber en Holt het over eens. Het kan hightech helpen om nog betere producten te maken. De technieken die hightech- en civiel ingenieurs toepassen om systemen te ontwikkelen en succesvol op te leveren, moeten verbeteren om de toegevoegde eisen en complexiteit aan te kunnen. De meest gebruikelijke manier is om modelgebaseerde technieken toe te passen. Holt verwoordt het heel eenvoudig: “Traditioneel vertrouwde engineering heel erg op documenten. Voor het ontwerp, voor het begrijpen van de vereisten enzovoort. Dat heeft decennialang heel goed gewerkt. Een prima, solide aanpak. Maar als de complexiteit toeneemt en alle kennis, gegevens en informatie over een systeem verdeeld is over meerdere documenten – en dan hebben we het over duizenden – dan wordt het heel erg complex om alleen al de consistentie te behouden.”
Ger Schoeber: “Het belangrijkste is niet het model, maar het gebruik van gezond verstand.
Bij een modelgebaseerde aanpak worden alle kennis en informatie die relevant zijn voor het systeem op één plek bewaard en consistent gehouden. “Op die manier hebben we wat vaak een single source of truth wordt genoemd,” zegt Holt. “We kunnen die ene bron onderhouden en als dat goed gebeurt, garandeert dat dat de documenten die gebaseerd zijn op die ene bron van waarheid consistent zullen zijn. Dus in plaats van alles te verspreiden over duizenden verschillende documenten, brengen we alles samen in één enkele bron van waarheid. Voor alles wat we willen weten over het systeem, ondervragen we het model. Daar zit de informatie.”
Uitweidend: “Mensen zeggen: een model kan nooit compleet zijn. Nou, dat hoeft het ook niet te zijn. Het moet zo compleet zijn als nodig is om ons systeem op te leveren. Het kan nooit alle informatie van het systeem bevatten. Er moeten dingen ontbreken, maar dat betekent niet dat het fout is. We concentreren ons op de relevante informatie om dat systeem te ontwikkelen. Het moet nuttig zijn en ten goede komen aan wat we doen. Als dat niet zo is, vergeet het dan maar.”
Brontosaurus van complexiteit
Om de impact van complexiteit op systems engineering uit te leggen, gebruikt Jon Holt het probleem van de brontosaurus-theorie. Deze theorie is een analogie die stelt dat de omvang en complexiteit recht evenredig zijn met de dikte van het dier. “Aan het begin van een project kijk je in het lachende gezicht van de brontosaurus,” verduidelijkt Holt. “De complexiteit is laag, het is dun op dat moment. Je kijkt naar je eisen en denkt: ja, dat is logisch. Je lacht omdat het eenvoudig is en de brontosaurus lacht naar je terug. Je leeft in een gelukkige, zij het ietwat naïeve wereld.”
Maar dan komen de systeemingenieurs met hun schattingen van kosten, tijd en middelen. Ze beginnen hun systems engineering principes toe te passen. “Ze beginnen te modelleren, belanghebbenden te identificeren, scenario’s te creëren en terwijl ze in de nek van de brontosaurus kruipen, neemt de complexiteit toe. Als iemand je diagrammen zo groot als een muur laat zien, weet je dat je in de buik van de brontosaurus bent beland. Want hoewel het diagram heel slim is, kan niemand het begrijpen. En je hebt mensen die allerlei verschillende methodes en tools gebruiken. Of nog erger, dezelfde tool gebruiken maar net iets andere versies die in de verste verte niet compatibel zijn met elkaar.” Holt, vanuit zijn ervaring: “Alle aannemers vertrekken op dit punt. Het leven wordt ze een beetje te lastig. Het lijkt wel het einde van de wereld.”
Maar er is een oplossing. “Het probleem is complex. Het is moeilijk te begrijpen en bijna onmogelijk om te communiceren met alle verschillende belanghebbenden. Het is erg frustrerend omdat je als systeemingenieur zegt: wacht even, ik heb dit goed gedaan, ik heb deze principes toegepast, maar toch zit ik in de buik van de brontosaurus.” Dan gebeurt er iets interessants, zegt Holt. “Want als je je technieken blijft toepassen, gaat de complexiteit omlaag en omlaag en omlaag, naar de staart van de brontosaurus – en dat is ons doel. En aan de staart van de brontosaurus heb je een beknopte, elegante oplossing.”
'As soon as you start to apply systems engineering and modeling, it gets more complex before it’s going to result in an optimal solution.'
De boodschap van Holt: als je naar een echt probleem kijkt, wordt het, zodra je systeemengineering en modellering gaat toepassen, complexer voordat het tot een optimale oplossing leidt.
Het model en de weergaven
De basisfunctie van een model in MBSE is communiceren. Het moet de systeemingenieur in staat stellen om het systeem in ontwikkeling te bespreken met alle belanghebbenden, de financiële afdeling, de klant, de baas, het engineeringteam of een normorganisatie die wil zien of het systeem voldoet aan alle veiligheidsvoorschriften.
Voor al die verschillende belanghebbenden zijn er zogenaamde “views” (van het model). Dit zijn de basiseenheden in een model. Elk van hen is een verzameling van informatie met alle informatie die een specifieke stakeholder moet weten over het systeem in ontwikkeling. Holt: “Allereerst moet het een valide view zijn. Als je geen van je belanghebbenden kunt identificeren die geïnteresseerd zou zijn om ernaar te kijken, doe het dan niet.” Ten tweede moet de stakeholder baat hebben bij het bekijken van deze specifieke visie. “Als je daar geen antwoord op kunt geven, is het niet relevant. Het is geen mening.”
“Als je je het model voorstelt als een grote amorfe klodder informatie, is elke weergave als het openen van een klein venster in dat model,” vervolgt Holt. “We moeten ervoor zorgen dat we genoeg van deze vensters openen om inzicht te krijgen in het model als geheel. Vanwege de vele belanghebbenden moeten we ervoor zorgen dat alle weergaven consistent zijn. Anders is het geen model.” Hij gebruikt SysML als modelleertaal, maar in feite kun je elke taal gebruiken. Het gaat erom dat je het goed doet, zodat je uiteindelijk een consistent model hebt.
Holt gebruikt bijvoorbeeld modellen als basis voor het contract. “Wanneer bedrijven in verschillende sectoren, zoals de lucht- en ruimtevaart, de energiesector of de nucleaire industrie, een aanbesteding uitschrijven, publiceren ze hun specificaties voor de offertes die binnenkomen. Wat ze in feite doen, is een reeks standpunten naar buiten brengen, die ze indienen als het technische deel van hun inschrijving.”
De voordelen zijn duidelijk: “Het model wordt onderdeel van het contract. Als vier mensen op de aanbestedingen inschrijven, hebben ze biedingen ingevuld voor dezelfde set weergaven. Voor de klant is het veel eenvoudiger om ze te vergelijken dan bijvoorbeeld op tekst gebaseerde beschrijvingen. Het andere voordeel is dat de set aanzichten – het ingediende model – dan eigenlijk een contract wordt. Aannemers zullen duidelijke informatie moeten leveren.”
De high-level set views op het conceptuele niveau worden later bijna de acceptatiecriteria voor wat er ook wordt opgeleverd. “Dit kan worden toegepast op infrastructuur, maar ook op meer high-tech en commerciële industrieën.”
Schoeber wijst erop dat de systeemarchitect of systems engineer een belangrijke rol speelt als vertaler van de views in SysML naar stakeholders zonder technische achtergrond.
Eetlust
De auto-industrie is een goed voorbeeld van een industrie die een grote behoefte aan MBSE heeft ontwikkeld, zegt Holt. “Het begon vijf jaar geleden. De complexiteit is in de loop der tijd veranderd. Vergelijk een oude auto van 30, 40 jaar geleden met een moderne auto en kijk naar de complexiteit van de systeemelementen, de connectiviteit of de veiligheidsbeperkingen. We zien dat de complexiteit onherkenbaar is veranderd. De technieken die we twintig jaar geleden konden toepassen op wat werd gezien als een moderne auto zijn nu gewoon niet goed genoeg. Ze zijn niet rigoureus genoeg om toe te passen op een modern voertuig dat deel uitmaakt van een groter systeem van systemen. MBSE geeft de auto-industrie een concurrentievoordeel. Als ze het niet toepassen, zullen hun concurrenten betere en betrouwbaardere producten maken.”
Waar begin je met MBSE? Holt wijst erop dat het belangrijk is om de waarom vraag te beantwoorden. “Als je die niet kunt beantwoorden, doe het werk dan niet. Het hangt af van de context. Je moet je afvragen wat je wilt verbeteren. Wat wil je in de eerste plaats bereiken? Het kan allerlei accenten hebben, iets commercieels of dingen als kwaliteitsattributen, een beter product dat veiliger, betrouwbaarder en beter onderhoudbaar is. Of kijk naar beveiliging. Je kunt een auto stelen met behulp van een mobiele telefoon, het is te gek voor woorden. De eis om dat te voorkomen bestond vijf of tien jaar geleden nog niet. Nu wordt het een standaard eis van klanten. Er zijn nog geen 100 procent autonome voertuigen, maar we hebben wel bestuurdersassistentie, communicatie met verkeersborden en botsingvermijding om te voorkomen dat we van rijstrook veranderen. Dit zijn standaardfuncties, geen optionele extra’s in een moderne auto.”
Heilige graal?
Bestaat het gevaar dat MBSE te veel als een heilige graal wordt beschouwd? Schoeber: “Waar ik me een beetje zorgen over maak is dat als we kijken naar MBSE en alle tooling die daarbij hoort, dat we dan te veel vertrouwen hebben in de tools. Je moet ervoor zorgen dat je je gezond verstand niet verliest.” Holt deelt de zorg van Schoeber: “Kritisch denken en dingen in twijfel trekken is een van de vaardigheden van de systems engineer. We moeten ons blijven afvragen waarom. Daar kun je niet omheen.”
Het gaat ook om het managen van de verwachtingen van mensen, vindt Holt. “Zoals elke oplossing is MBSE geen wondermiddel. Het zal niet al onze problemen in één keer oplossen. Je moet weten wat je hoopt te bereiken en, heel belangrijk, hoe je gaat meten wat je hebt bereikt. Een deel van het probleem is dat mensen de hulpmiddelen te veel verkopen.”
Volgens Holt varieert het niveau van volwassenheid in MBSE enorm tussen verschillende organisaties en industrieën. “Zeker in het Verenigd Koninkrijk. Van oudsher was modelgebaseerde systeemengineering altijd het domein van het leger, de lucht- en ruimtevaart en later de spoorwegen. Maar nu, als je kijkt naar de huidige roadmaps van automotive, hebben ze het goed voor elkaar.”
Verschillende industrieën hebben ook te maken met verschillende tijdschema’s. Ontwikkelingen op het gebied van consumentenelektronica zijn korter dan infrastructuurprojecten. Langere ontwikkelingen zijn niet per se relaxter, wijst Schoeber. “Het Europees Ruimteagentschap in Noordwijk gebruikt SysML al meer dan 10 jaar. Bij ESA werken veel landen samen om satellieten te produceren. Je hebt maar één kans op een succesvolle lancering. Maar aan de andere kant moeten ze soms moeilijke keuzes maken als na 10 jaar ontwikkeling de tijd opraakt. Dan moeten ze beslissen: het risico nemen om een aantal test- en verificatiefasen over te slaan om het lanceervenster te halen, of een enorme kostenpost accepteren die een jaar vertraging met zich meebrengt?”
In de hightechindustrie ziet Schoeber een speelveld met veel helden, de creatieve en proactieve mensen die het voortouw nemen in ontwikkelingen. “Kijk naar ASML. Dat is een op helden gebaseerd bedrijf. Maar met een marktaandeel van bijna 90 procent en enorm complexe systemen voelen ze de noodzaak om wat bewerkingen en modellering op een formelere manier te doen. Anders overleven ze de komende tien jaar niet.”
Vervangen modellen de helden? Holt: “Ik denk dat er altijd behoefte is aan helden, maar je hebt er lang niet zoveel nodig als je een goede aanpak hebt. Vaak zijn de helden er omdat dingen niet goed zijn gedaan en ze voortdurend brandjes moeten blussen. Veel van die dingen zouden vermeden kunnen worden. De ruimte is een heel goed voorbeeld. Totdat je je raket de lucht in schiet, weet je niet wat er gaat gebeuren. Je kunt mechanismen instellen om het risico te minimaliseren, maar je kunt niet alles beperken. Ja, je hebt helden nodig, maar we moeten niet voor alles op helden vertrouwen.”
Schoeber: “Het belangrijkste is om gezond verstand te gebruiken. Systeemingenieurs moeten dapper genoeg zijn om op te staan en verantwoordelijkheid te nemen. Want dat is wat een held echt maakt.” Holt: “Het is niet zozeer dat ze aan de letter van hun contracten moeten voldoen, maar meer aan de onderliggende bedoeling.”
Dit artikel is geschreven door René Raaijmakers, tech-redacteur van Bits&Chips.
