Las simulaciones virtuales de sistemas de varios niveles reducen la complejidad

En el diseño de sistemas complejos intervienen múltiples disciplinas, con frecuencia de manera descoordinada y utilizando una amplia gama de herramientas incompatibles. La ingeniería de diseño del Internet de las cosas (IoT) exige aún más interconexiones. Los prototipos virtuales que utilizan la ingeniería de sistemas basada en modelos (MBSE) —con simulaciones digitales 3D integradas de todos los sistemas que funcionan conjuntamente— prometen solucionar el problema por la vía de la eficiencia.

Diseñar eficazmente un sistema complejo es una labor titánica. «El método tradicional se centra primero en la estructura —las piezas y sus interconexiones— y da por sentado que el comportamiento requerido se conseguirá mediante una disposición adecuada de las piezas», señala el escocés Hillary Sillitto, ingeniero colegiado, miembro del International Council on Systems Engineering (INCOSE) y escritor.

Sin embargo, este enfoque de «primero la estructura» es un terreno abonado para los conflictos entre subsistemas. «Son tantas las posibles interacciones, que este enfoque no puede garantizar que no existan otras propiedades o comportamientos indeseables o inaceptables», explica Sillita.

El auge del Internet de las cosas (IoT) añade todavía más complejidad. «Esta red de interconexiones crece exponencialmente y aumenta drásticamente la complejidad, la frecuencia y la propagación de las interacciones entre los sistemas», afirma Troy Peterson, jefe de ingenieros de la consultora estadounidense Booz Allen Hamilton, director adjunto de SE Transformation en INCOSE y ex jefe de ingenieros de Ford Motor Company.

El fabricante alemán de electrodomésticos Miele, líder en el desarrollo de productos diseñados para el IoT, conoce muy bien esos desafíos. «Las características de los productos son cada vez más el resultado de complejas combinaciones de hardware y software», explica Matthias Knoke, jefe de desarrollo de productos virtuales de Miele. «Muchas de las funciones que tradicionalmente eran mecánicas se han sustituido por subconjuntos mecatrónicos, que aumentan considerablemente la cantidad de funcionalidades. Cada vez hay que consultar más disciplinas y utilizarlas simultáneamente. Los métodos convencionales para desarrollar y probar productos han dejado de ser efectivos».

INGENIERÍA DE SISTEMAS BASADA EN MODELOS

Las empresas exploran cada vez más el potencial de la ingeniería de sistemas basada en modelos (MBSE), que utiliza simulaciones virtuales para mitigar la complejidad de la ingeniería. La MBSE, que INCOSE define como «la aplicación estandarizada de modelado para gestionar los requisitos, análisis, diseño, verificación y validación del sistema, desde la fase de diseño del concepto y a lo largo de todo el desarrollo y de las fases posteriores del ciclo de vida», se erige como un medio para resolver muchos de los desafíos que afrontan actualmente las compañías de maquinaria industrial.

«NOS HEMOS EVITADO EL COSTO Y EL TRABAJO EN VANO DE ARREGLAR DISPOSITIVOS

QUE NO ESTABAN AVERIADOS, Y EN NINGÚN MOMENTO SE INTERRUMPIÓ EL SERVICIO.»

PAUL BORIS

RESPONSABLE DE INDUSTRIAS MANUFACTURERAS DE GE DIGITAL

Miele ya está recogiendo frutos. «La MBSE aplica un método sistemático a la complejidad de los productos, haciéndolos más manejables», afirma Knoke. «Esto acorta los plazos de desarrollo y reduce el gasto en I+D. Y además, mejora la colaboración y la comunicación entre las distintas disciplinas».

GE, proveedor global de sistemas de maquinaria industrial con sede en Fairfield (Connecticut), también aprecia las ventajas de la MBSE. «Este sistema es fundamental, básicamente por dos razones», argumenta Paul Boris, responsable de industrias manufactureras de GE Digital. «Creando una representación digital, somos capaces de incluir las condiciones y las tensiones que resisten las máquinas. Por ejemplo, teníamos unos motores de avión que presentaban un patrón de desgaste irregular. En lugar de ponerlos fuera de servicio con la esperanza de acotar el problema, empleamos la representación digital para reproducir los patrones de uso de los dispositivos afectados. Llegamos a la conclusión de que el patrón de uso era el causante de la pérdida de rendimiento; el polvo no es el mismo en las diferentes regiones del mundo. Posteriormente, desarrollamos un sistema de lavado para corregir el problema, que se daba en motores concretos y en regiones muy específicas, y eso fue lo que solucionamos. Nos hemos evitado el coste y el trabajo en vano de arreglar dispositivos que no estaban averiados, y en ningún momento se interrumpió el servicio.

La NASA también ha adoptado técnicas de MBSE para afrontar la creciente complejidad de sus misiones espaciales. «La MBSE nos permite capturar la información del proyecto en una única base de datos centralizada y comunicar esa información de manera eficaz a una gran comunidad de usuarios», señala Brian Cooke, ingeniero de sistemas del Jet Propulsion Laboratory de Pasadena (California). Cooke trabaja en el Proyecto Europa de la NASA, que tiene previsto explorar Europa, la luna de Júpiter, durante la década de 2020.

FACILITAR EL USO GENERALIZADO

Sin embargo, en la práctica la adopción de la MBSE apenas se limita a un puñado de ejemplos. Según Roman Dumitrescu, director general de estrategia e I+D de la red tecnológica «it’s OWL» (Intelligent Technical Systems OstWestfalenLippe) y jefe del departamento de ingeniería de sistemas del Fraunhofer Project Group for Mechatronic Systems Design, hay varios factores que limitan la adopción de la MBSE. «Falta un estándar de MBSE que incluya procesos bien definidos sobre cómo implementar la MBSE y perfiles específicos para el modelado de sistemas técnicos complejos», se lamenta Dumitrescu. «Además, no hay suficientes ingenieros que sepan usar la MBSE, y prácticamente no existen programas de formación profesionales».

Para lograr la adopción generalizada, Dumitrescu cree que las compañías de maquinaria industrial deberían definir sus propias metodologías MBSE basándose en problemas de ingeniería reales. «Deben empezar con sistemas poco complejos, pero trabajar también en procesos y perfiles de lenguajes», opina. «Las empresas de maquinaria industrial necesitan que todos sus ingenieros conozcan la MBSE y deben crear equipos más pequeños de expertos en MBSE».

Peterson comparte esa opinión: «Un proyecto de pruebas específico, bien adaptado y dotado de los recursos necesarios, por pequeño que sea, demostrará claramente el valor de la MBSE», explica. «Pero no será la panacea. Implantar un sistema basado en modelos que conecte modelos de distintos ámbitos y disciplinas requiere inversión, compromiso, liderazgo y experiencia para poder convertirse en una ventaja competitiva definitiva».