Guide complet du MBSE (Model-Based Systems Engineering)

L’International Council on Systems Engineering (INCOSE) définit le terme Model-Based Systems Engineering (MBSE ou Ingénierie des Systèmes Basée sur des Modèles en français) comme “l'application formalisée de la modélisation pour soutenir les exigences, la conception, l'analyse, la vérification et la validation du système, dès la phase de conception et tout au long du développement et des phases ultérieures du cycle de vie”.

Autrement dit, il s’agit d’une approche proprement technique de l’ingénierie des systèmes dont l’objectif est de mettre au point et d’exploiter des modèles. Ces derniers doivent servir à l’échange d’informations et à la collaboration entre les différentes personnes qui participent au projet.

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L’histoire du MBSE

Le terme MBSE apparaît pour la première fois en 1993 lorsque A. Wayne Wymore intitule son ouvrage “Model-Based Systems Engineering”. À partir de 2003, le consortium SysML Partners adopte cette approche et l’utilise de façon courante. Dès 2006, SysML (Systems Modeling Language) devient le langage le plus généralement associé au MBSE.

Ce dernier se généralise et se popularise quand, en 2007, l’INCOSE estime dans une présentation que le MBSE a vocation à remplacer la modélisation et le développement des systèmes d’information qui avaient jusqu’ici la préférence des professionnels. Par la même occasion, l’INCOSE commence à soutenir d’autres langages de modélisation, comme AP233 et Modelica.

Cette mise en avant du MBSE répond au besoin de gérer des systèmes de plus en plus complexes, intégrant des composants matériels, logiciels et humains. La gestion de cette complexité rend nécessaire une approche systématique et structurée, facilitée par la modélisation.

Dès lors, le champ d’application du MBSE se développe et se diversifie. Il couvre désormais d’innombrables sujets liés à la modélisation comme à la simulation, touchant à des aspects divers de l’ingénierie des systèmes, de leur conception initiale à leur validation et à leur vérification.

Comment fonctionne le MBSE ?

Le MBSE est donc une approche méthodique dont le but est d’offrir une représentation systématique et structurée des systèmes. Il repose sur des concepts et des principes fondamentaux qui ont pour but de faciliter la gestion de la complexité et de renforcer la collaboration entre les intervenants.

Modèle, pensée systémique et ingénierie des systèmes : les trois concepts clés

Dans sa définition usuelle, un modèle est une version réduite et schématique d’un objet ou d’un bâtiment. La modélisation d’un système suit des règles similaires : l’architecte système est amené à réduire le nombre de détails afin de rendre apparents la structure et le comportement du système tout en permettant à sa complexité de rester gérable. Autrement dit, il est nécessaire que le modèle soit fidèle au système, comme le système doit confirmer son modèle.

Deuxième concept clé du MBSE, la pensée systémique consiste à considérer un système comme une partie d’un autre système plus large. Il s’agit donc de l’observer de loin afin de déterminer ses limites et son cycle de vie, pour comprendre ses interconnexions et son comportement.

Enfin, l’ingénierie des systèmes constitue une approche multidisciplinaire dont le but est de développer des systèmes techniques. Elle prend ainsi en charge la création de l’architecture du système, sa mise en œuvre, son intégration, son analyse et sa conduite.

Une fois ces trois concepts bien compris, il est temps d’évoquer le fonctionnement exact du MBSE.

Modéliser et intégrer la modélisation

Avant de commencer la modélisation, il est indispensable de bien connaître quelles seront les exigences du système. Il faudra donc définir les besoins des utilisateurs.

L’ingénieur système est ensuite chargé de la modélisation du système. Il doit d’abord hiérarchiser les différents aspects de ce dernier : structure, flux, communication interne et sécurité. Le premier objectif est en effet de modéliser ses principaux aspects, le modèle étant axé sur ceux-ci. Il est bien sûr primordial de rester aussi proche que possible du système réel.

Pour parvenir ensuite à créer ce modèle, l’ingénieur système utilise un langage de modélisation, comme SysML ou AADL (Architecture Analysis Design Language). Un modèle valide nécessite un strict respect du langage de modélisation et de sa syntaxe informatique afin de garantir sa précision et sa clarté.

Ce dernier doit disposer d’une structure nette qui le rend compréhensible et utilisable. Son but est de démontrer la façon dont le système doit fonctionner pour être optimisé.

L’ingénieur crée ainsi plusieurs modèles qui sont ensuite intégrés dans un modèle plus large. Il convient donc d’adopter la pensée systémique. Les modèles interagissent entre eux. Des simulations et des analyses permettent de comprendre le système et son comportement.

Enfin, le modèle ainsi créé doit être validé. Il faut donc tester son fonctionnement et vérifier qu’il répond aux exigences prédéfinies. Ce processus inclut en général des tests unitaires pour s’assurer que chaque composant individuel fonctionne correctement avant de l’intégrer dans le modèle plus large. Des tests fonctionnels vérifient ensuite que les ensembles de composants interagissent correctement et des tests système garantissent que le système dans son ensemble répond aux exigences initiales.

Quelques outils de modélisation

Divers outils sont disponibles, en open source ou sous licence, qui permettent de concevoir et gérer les modèles MBSE.

Il peut par exemple s’agir de plateformes de conception qui aident à la prise en charge de l’ingénierie système et de l’ingénierie logicielle, comme IBM Rational Rhapsody ou No Magic Cameo. D’autres sont plus spécialisées dans la gestion des exigences. C’est notamment le cas de PTC Integrity Modeler.

Certains outils, enfin, se présentent comme des logiciels de modélisation complets qui facilitent la création et la conduite des dispositifs complexes. On peut citer ici Sparx Systems Enterprise Architect, GENESYS ou MagieDraw.

Pour se lancer, il est toutefois peut-être préférable d’opter pour OpenModelica, un outil MBSE open source qui offre une solution intéressante pour la modélisation et la simulation de systèmes complexes. Ses fonctionnalités en font une option relativement complète.

Pourquoi utiliser le MBSE ?

En adoptant une approche MBSE, une entreprise a en général 3 objectifs principaux :

• Améliorer la collaboration et la communication entre les équipes ;
• Gérer la complexité du système ;
• Optimiser le processus d’ingénierie.

Toutefois, ces objectifs peuvent être atteints à l’aide d’autres approches. Il faut donc à présent s’attarder sur les avantages dont dispose le MBSE.

Les avantages du MBSE

Le MBSE a tout d’abord l’avantage de présenter une vue cohérente et intégrée du système, ses modèles formels facilitant la compréhension et la communication entre les différentes disciplines et les divers intervenants. Grâce à cette modélisation, il est possible de représenter graphiquement les exigences, les fonctions, les comportements et les architectures du système. L’entreprise obtient ainsi une meilleure visualisation et une analyse approfondie des interactions et des interconnexions.

Autre avantage : la liaison établie entre les modèles améliore le contrôle de satisfaction des exigences et la gestion des changements. En fournissant une documentation claire et complète, la traçabilité des exigences contribue par ailleurs à la conformité aux standards et aux réglementations.

Grâce aux simulations et aux analyses, le MBSE permet également une détection précoce des erreurs et des incohérences, réduisant ainsi les risques et minimisant les surcoûts liés aux modifications tardives. En outre, l’utilisation de modèles simplifie le réemploi des composants et des designs.

Enfin, en renforçant la collaboration entre équipes multidisciplinaires, le MBSE contribue à une gestion plus efficace du personnel, améliorant la coordination et le niveau d’information des employés. Les modèles servent de langage commun, réduisant les ambiguïtés et les malentendus. Tous les intervenants disposent des informations les plus récentes et les plus précises.

Les limites du MBSE

En dépit de tous ces avantages, le MBSE présente aussi quelques limites, la plupart étant liées à sa gestion.

Le premier inconvénient du MBSE reste son coût en investissement. L’achat de logiciels et la formation des utilisateurs représentent en effet des frais non négligeables et peuvent constituer un frein pour certaines entreprises.

En outre, l’entreprise qui optera pour le MBSE ne doit pas s’attendre à recevoir rapidement les dividendes liés à ces investissements. Mettre au point un MBSE est un processus d’une grande complexité qui prend du temps. Il est par ailleurs probable que les équipes apprennent à utiliser le modèle de manière empirique, cette méthode étant de plus en plus efficace au fil du temps.

Même mis en place, le MBSE continue d’être chronophage et de nécessiter une réelle expertise. Il faut en effet gérer les énormes quantités de données intégrées au modèle, développer et faire vivre celui-ci.

MBSE, MBE ou MBD ?

Les MBSE, MBE (Model-Based Enterprise) et MBD (Model-Based Definition) reposent tous trois sur l’utilisation de modèles. Ils ont toutefois des objectifs et des applications dissemblables.

Le MBD correspond à la création de modèles 3D qui sont dotés de toutes les informations nécessaires à la conception de produits. Ces modèles servent principalement à concevoir et tester des dispositifs avant leur fabrication physique.

Extension du MBD, le MBE est également utilisé dans le domaine de la fabrication : un modèle numérique tridimensionnel d’un produit contient toutes les données portant sur ce produit. Il permet ainsi le suivi des modifications et facilite la conception, la fabrication comme la maintenance du produit.

Le MBSE poursuit un autre objectif, puisqu’il vise à comprendre le comportement et les fonctions d’un système. Il permet donc d’obtenir une vision à la fois plus large et plus précise du sujet traité.

Les domaines d’application du MBSE

Le MBSE est employé dans de nombreux domaines, le plus connu étant sans doute l’aérospatiale. Il offre une solution idéale pour concevoir, simuler et vérifier les systèmes avioniques, les commandes de vol et les systèmes de propulsion. Il participe également aux projets spatiaux où il aide à coordonner les sous-systèmes des satellites.

La défense et les armées sont également concernées, le MBSE étant utilisé pour la conception et le test des véhicules blindés et des drones. Il facilite par ailleurs l’administration des systèmes de communication.

Dans le domaine de l’automobile, il est largement employé pour modéliser les systèmes motorisés et électriques, ainsi que les dispositifs de conduite autonome. Les systèmes ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) sont aussi conçus grâce au MBSE.

Ce dernier est indispensable pour modéliser et gérer les systèmes complexes qui intègrent les parcs éoliens, comme les centrales solaires et les centrales nucléaires. Une fois l’énergie produite, il intervient pour la conception des réseaux de distribution.

Dans l’industrie, enfin, il sert à concevoir et à gérer les lignes de production, ainsi que les robots industriels.

Les points importants du MBSE

• Il s’agit d’un puissant outil au service de nombreuses entreprises et administrations ;
• Il permet de modéliser des systèmes complexes afin de les rendre intelligibles ;
• Ce faisant, il rend possibles leur analyse, leur évaluation et leur amélioration grâce à une approche rationnelle et systémique ;
• Il poursuit des objectifs et des applications différentes des MBD et MBE, bien qu’ils soient tous trois fondés sur l’utilisation de modèles ;
• Il nécessite toutefois un investissement initial important.