An Integrated Model-Based Approach for Systems Engineering - Towards the use of model-based approach in the early development stages of the systems engineering process

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-02-12
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
80 + app. 110
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 19/2015
Abstract
Systems engineering projects are increasingly complex, and often involve multi-disciplinary teams, different physical locations, and diverse stakeholders. At the early stage of the systems engineering process, systems engineers need to deal with capturing the needs, planning the process, and analyzing early solutions. These activities during early stages have a tremendous impact to all later downstream activities of the development process in term of time-to-market, quality of a system, and final cost. Model-Based Systems Engineering (MBSE), as a model-centric approach, was purposed to support systems engineers to deal with the complexities in developing a system using models. The advantages of implementing MBSE in a project are for example purposed for improving the quality, reducing the risks, increasing the productivity, and improving the communication effectively. However, models are not very useful if they cannot be executed and used for verification and validation purposes. The scope of this thesis focuses on integrating a model-based approach formalized by Systems Modeling Language (SysML) in the three following domains: requirements modeling, tasks and activities scheduling, and behavioral analyzing of a physical system. In the first domain, i.e. requirements modeling, this thesis contributes to the analysis of the impact of changes within requirements with the combination of SysML stereotypes and Design Structure Matrix (DSM) techniques. In the second domain, Design Structure Matrix (DSM) and Differential Evolution algorithm (DDE) techniques allow systems engineers to schedule the development process by minimizing iteration of tasks and increasing concurrency between tasks. In the third domain, techniques from Qualitative Physics, i.e. Dimensional Analysis and Causal ordering, are applied for modeling and simulating the behavior of physical systems.

Järjestelmäsuunnitteluprojektit ovat yhä monimutkaisempia ja usein niihin liittyy poikkitieteellisiä tiimejä useissa fyysisissä paikoissa ja erinäisiä sidosryhmiä. Järjestelmäprosessien aikaisessa vaiheessa järjestelmäinsinöörien täytyy kerätä tarpeet, suunnitella prosessi ja analysoida aikaiset ratkaisut. Näillä aikaisen vaiheen toiminnoilla on suuri merkitys myöhempiin kehitysprosessin aktiviteetteihin kuten markkinoille pääsyaikaan, järjestelmän laatuun ja lopulliseen kustannukseen. Mallipohjainen järjestelmäsuunnittelu (MBSE), mallikeskeisenä menetelmänä, oli tarkoitettu tukemaan järjestelmäinsinöörejä käsittelemään monimutkaisuutta kehitettäessä järjestelmää käyttäen malleja (vai malleja käyttävää järjestelmää?). MBSE:n etuja ovat esimerkiksi laadun paraneminen, riskien vähentäminen, tuottavuuden kasvu ja kommunikaation parantaminen tehokkaasti. Toisaalta mallit eivät ole kovin käyttökelpoisia, jos niitä ei voida toteuttaa tai käyttää validointiin tai verifikaatioon. Tämän työn keskittyy mallipohjaisen käytännön, mikä on formalisoitu järjestelmänmallinnuskielellä (SysML), integroimiseen seuraavilla aloilla: vaatimusten mallinnus, tehtävien ja toimintojen aikataulutus ja fyysisten järjestelmien käytösanalyysi. Ensimmäisellä alalla, eli vaatimusten mallinnuksessa, tämä työ edistää vaatimusten muutoksista johtuvaa vaikutusanalyysiä yhdistämällä SysML-stereotyyppi- ja suunnittelun rakennematriisi- (DSM) tekniikoita. Toisella alalla DSM ja differentiaalinen kehitysalgoritmi (DDE) tekniikat mahdollistavat järjestelmäinsinöörien aikatauluttaa kehitysprosessia minimoimalla tehtävien iteroinnin ja lisäämällä tehtävien samanaikaisuutta. Kolmannella alalla kvalitatiivisen fysiikan tekniikoita, kuten dimensioanalyysi ja syy-seuraus analyysi, sovelletaan fyysisten järjestelmien käyttäytymisen mallinnuksessa ja simuloinnissa.
Description
Supervising professor
Pietola, Matti, Prof., Aalto University, Department of Engineering Design and Production, Finland
Thesis advisor
Coatanea, Eric, Dr., Aalto University, Department of Engineering Design and Production, Finland
Keywords
model-based approach, systems engineering, SysML, design structure matrix, optimization, causal ordering algorithm
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Sarayut Nonsiri, François Christophe, Eric Coatanéa, Faisal Mokammel. A combined Design Structure Matrix (DSM) and Discrete Differential Evolution (DDE) approach for scheduling and organizing system development tasks modelled using SysML. Accepted for publication in Journal of Integrated Design and Process Science, 22 pages, IOS Press 2014.
  • [Publication 2]: Sarayut Nonsiri, Eric Coatanéa, Mohamed Bakhouya. A Discrete Differential Evolution algorithm for Product Development Scheduling. In Proceedings of the ASME 2012 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference, Chicago, Illinois, USA, pp. 1229-1236,
    DOI: 10.1115/DETC2012-70390, August 2012. View at publisher
  • [Publication 3]: Sarayut Nonsiri, Eric Coatanéa, Mohamed Bakhouya, Faisal Mokammel. Model-Based Approach for Change Propagation Analysis in Requirements. In 2013 IEEE International Systems Conference (SysCon), Orlando, FL, USA, pp. 497 - 503,
    DOI: 10.1109/SysCon.2013.6549928, April 2013. View at publisher
  • [Publication 4]: Galina Medyna, Sarayut Nonsiri, Eric Coatanéa, and Alain Bernard. Modelling, Evaluation and Simulation during the Early Design Stages: Toward the Development of an Approach Limiting the Need for Specific Knowledge. Transactions of the SDPS: Journal of Integrated Design and Process Science, Volume 16, number 3, pp. 83-103,
    DOI: 10.3233/jid-2012-0006, 2012. View at publisher
  • [Publication 5]: Eric Coatanéa, Sarayut Nonsiri, Mohamed Bakhouya, Panu Kiviluoma and Olof Calonius. Early Modelling and Simulation Approach for Fast Evaluation of Early Design Concepts: A System Dynamics Perspective. In Proceedings of the ASME 2012 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference, Chicago, Illinois, USA, pp. 97-109,
    DOI: 10.1115/DETC2012-70652, August 2012. View at publisher
  • [Publication 6]: Eric Coatanéa, Sarayut Nonsiri, Ricardo Roca, Faisal Mokammel, Juliane Kruck, François Christophe,. Systematic search for design contradictions in systems’ architecture: Toward a computer aided analysis. Accepted for publication in Transactions of the SDPS: Journal of Integrated Design and Process Science, 23 pages, IOS Press 2015.
Citation