Artículo Siemens. Superando los retos de la complejidad del diseño en la industria del automóvil
La industria de automoción y transporte ha recorrido un largo camino desde la patente de “coche a motor” de Benz. El concepto de propiedad de un automóvil ha cambiado también, pasando de ser un lujo solo al alcance de los ricos a ser casi una necesidad de la vida moderna. Y el propio automóvil también ha evolucionado, desde el utilitario Ford Modelo T hasta los vehículos actuales, altamente personalizables y repletos de altas prestaciones. El Modelo T era una maravilla mecánica por su sencillez y su arranque era más rápido que la de cualquier vehículo motorizado anterior. Pero tenía sus limitaciones - sólo había un modelo y sólo podía ser negro. Desde entonces, una mezcla de demandas de los clientes, intensificación de la competencia y requisitos normativos han impulsado a los fabricantes de automóviles a producir vehículos con más caballos de potencia, mejor eficiencia de consumo de combustible, interiores mucho más confortables y muchas otras nuevas e interesantes características. Hoy, estas necesidades empujan a los fabricantes más allá del ámbito mecánico. Todas las necesidades de conectividad, la electrónica y el software están forzando la transformación digital en el mercado automovilístico actual y, como resultado, muchos sistemas tradicionalmente mecánicos o hidráulicos están siendo sustituidos por otros basados en la electrónica y el software.
Todo esto implica un nuevo equilibrio en el valor de los componentes del automóvil, reforzando los ámbitos del software y de los sistemas electrónicos, que ha puesto patas arriba los métodos tradicionales de desarrollo de vehículos, y no sólo en cuanto a las herramientas de diseño. Los sistemas mecánicos son activados por electrónica que es controlada por software. Garantizar que estas integraciones sean precisas y fiables se ha convertido en una faceta crítica del desarrollo de vehículos modernos.
Los métodos de orquestación previos no pueden soportar los retos del desarrollo de vehículos modernos. Ahora, más actores de diversos de ámbitos de la ingeniería deben trabajar simultáneamente en el desarrollo y la integración de sistemas. El enfoque basado en documentos de los primeros pasos de ingeniería de sistemas se ha visto cada vez más afectado por el nivel de interconexión de los productos. La complejidad de los automóviles y sistemas de transporte modernos y futuros exigirá la digitalización y una solución basada en los principios de la ingeniería de sistemas basada en modelos (MBSE). Una solución MBSE moderna permitirá a las empresas de automoción y transporte gestionar la complejidad de las funciones avanzadas, la creciente integración entre dominios y las crecientes presiones externas, ayudando a estas empresas a desarrollar programas de éxito.
Más funciones, más complejidad
El inicio de cualquier programa de desarrollo de vehículos es la definición de los objetivos, todos los parámetros y los requisitos clave. ¿Será este producto un vehículo para desplazarse por la ciudad, dando prioridad a la eficiencia de combustible y la maniobrabilidad? ¿O se utilizará para transportar grandes cargas de forma habitual? ¿Y qué características exigirán probablemente los clientes? La combinación de este tipo de preguntas con los requisitos del vehículo, como el tipo de cadena cinemática o el objetivo de eficiencia, constituye la definición del producto. En MBSE, esto se aplica al gemelo digital y se comparte con todas las partes interesadas. Esta definición, o arquitectura, se amplía para incluir las características necesarias del vehículo: ¿necesita un sistema de “infoentretenimiento”? ¿Qué funciones de asistencia al conductor se incluirán en este modelo?
Estas características son los nuevos argumentos de venta de la mayoría de los vehículos, ya no se trata de la potencia del motor o de si la caja de cambios es automática o manual. La complejidad de la arquitectura de un vehículo moderno se ve agravada por este cambio de características. Los instrumentos digitales del salpicadero requieren sensores para cada uno de los valores que se muestran, junto con una unidad de control que registre, traduzca y transmita la información al salpicadero, donde todo debe mostrarse correctamente. Esta función aparentemente sencilla requiere integrar los sistemas seguimiento mecánicos, los sistemas electrónicos que procesan los datos, las redes eléctricas que transportan las señales y el software para garantizar que cada elemento funcione de forma coordinada y proporcione información precisa al conductor en el momento oportuno.
Y este problema de complejidad aumenta a medida que se incorporan más funcionalidades. Los sistemas de conducción autónoma integrarán esencialmente todo el vehículo en un único sistema -el tren motriz, los sistemas de seguridad, el conjunto de entretenimiento y mucho más-, lo que garantiza que serán los vehículos más complejos jamás producidos. Y en lugar de trabajar en estos diferentes subsistemas de forma aislada hasta la fase de integración, la ingeniería de sistemas basada en modelos proporciona un entorno único para los ingenieros, ya que trabajan a partir de la arquitectura del sistema global. Cada equipo de ingeniería puede trabajar para cumplir los requisitos específicos de sus sistemas o componentes y, en última instancia, producir resultados específicos que sean compatibles con los demás sistemas del vehículo. Este enfoque garantiza que tanto los equipos internos como los proveedores puedan entregar componentes funcionales, y con frecuencia el software que los acompaña, que se integren a la perfección con el resto del sistema.
No más aislamiento
Una ventaja fundamental de un enfoque MBSE sólido es su capacidad para eliminar los silos que han persistido durante mucho tiempo en el desarrollo de vehículos. Tomemos como ejemplo un sistema de frenado de emergencia. El objetivo básico de un sistema de este tipo es activar el freno cuando se detecta un obstáculo en la trayectoria inmediata del vehículo. Para habilitar un sistema de este tipo, se necesitan datos de sensores sobre el obstáculo, información sobre la dinámica actual del vehículo, un método para enviar la señal de parada al sistema de frenado y la aplicación de los frenos de forma rápida y segura. Cada uno de estos pasos implica integrar un nuevo subsistema o componente del vehículo para habilitar la función de frenado automático. Gestionar estas conexiones entre los sistemas del vehículo y los dominios de ingeniería a través de flujos de trabajo tradicionales lleva tiempo y ofrece oportunidades para problemas de comunicación, lo que puede conducir a diseños subóptimos o, en el peor de los casos, al fracaso.
Por el contrario, el MBSE garantiza que todo el mundo esté al tanto a medida que los distintos equipos la perfeccionan la definición. Esta única fuente de verdad no sólo ahorra tiempo y mejora la precisión en la comunicación de los datos de diseño, sino que permite reutilizar el trabajo previo. El sistema de frenado de emergencia, por ejemplo, podría aprovechar la información de frenado ya empleada por un sistema de frenado adaptativo para que la deceleración del vehículo no provoque una pérdida de control. También es posible que la información sobre la dinámica del vehículo ya esté siendo rastreada por otro sistema y pueda incorporarse a la función de frenado de emergencia para ahorrar tiempo de desarrollo.
Comprender estas interacciones entre los distintos subsistemas también es fundamental para el desarrollo y la implantación de software en vehículos nuevos. Un mismo fabricante (OEM) puede tener varios modelos de un vehículo en un mismo año, pero dentro de cada modelo es probable que haya cientos de variaciones en el diseño: podría tratarse de distintos paquetes de características o incluso de distintos proveedores de una misma pieza. Pero sea cual sea la composición exacta del vehículo, el software integrado que gestiona cada característica y función del vehículo debe ser compatible con todas las configuraciones posibles del vehículo. En la era de las actualizaciones inalámbricas, este reto va más allá de la cadena de producción y se extiende a los vehículos sobre el terreno. Los fabricantes de vehículos tendrán que hacer un seguimiento de cada configuración de vehículo y su configuración de software relacionada para verificar, validar y desplegar actualizaciones de software que sean compatibles con el vehículo de cada cliente.
Optimización y validación
Los vehículos eléctricos (VE) y los vehículos autónomos (VA) se enfrentan a muchos nuevos retos durante su desarrollo en comparación con los vehículos de combustión tradicionales. Los VE tienen un equilibrio más ajustado entre autonomía, peso y aerodinámica debido a un medio de almacenamiento menos denso en energía. Los VA necesitarán mucha más codificación y pruebas de software que nunca para alcanzar el nivel 5 de autonomía, o autonomía total sin necesidad de interacción del conductor. La solución para muchos de estos obstáculos es la simulación, quizá pruebas de dinámica de fluidos computacional para determinar la resistencia al viento de la carrocería o escenarios simulados para que el sistema de control del vehículo autónomo pueda entrenar muchos más kilómetros sin la penalización del tiempo. Pero la integración de estos sistemas hace que probar su interacción sea muy difícil, si no imposible.
La ingeniería de sistemas basada en modelos proporciona un marco para la optimización y validación de estas nuevas arquitecturas de vehículos. La autonomía de un VE puede equilibrarse con el peso y la aerodinámica, al tiempo que se comprende el impacto en la dinámica del vehículo. Un sistema de VA puede validarse más rápidamente con herramientas de simulación más completas. La inteligencia artificial puede incluso aprovecharse dentro de la metodología MBSE para alterar progresivamente la situación virtual a la que se enfrenta un VA para aumentar el número de variaciones en las situaciones de conducción con el fin de optimizar la solidez de los sistemas a la hora de tomar decisiones durante la misma. Y como el ciclo de desarrollo de muchos vehículos se extiende más allá de la planta de producción, los datos recogidos de los sensores de los coches que ya están en la carretera pueden utilizarse para perfeccionar aún más los modelos de conducción. Los vehículos se convierten en un producto en continua actualización, que añade mejoras de seguridad y, posiblemente, funciones adicionales respecto a cómo salieron de la cadena de montaje.
MBSE para el presente y el futuro
La complejidad de los vehículos es cada vez mayor, incluso sin la incorporación de la electrificación y la automatización masivas. Afortunadamente, la ingeniería de sistemas basada en modelos está diseñada para orquestar esa complejidad. La MBSE permite tanto a los equipos de ingeniería como a las organizaciones en general hacer un seguimiento de los requisitos de los vehículos en todos los ámbitos, desde su definición inicial hasta su implementación en los vehículos que salen de la cadena de producción. Esta visión holística del proceso de desarrollo del vehículo también ofrece vías para una colaboración más frecuente y eficaz dentro del OEM y a lo largo de su cadena de suministro. Gracias a la colaboración y a una fuente de información única y definitiva, los fabricantes y sus proveedores podrán lanzar al mercado vehículos innovadores, atractivos para el consumidor y de alta calidad de forma más rápida y fiable.
Los coches que conducimos han pasado de ser innovaciones puramente mecánicas con variaciones limitadas a una proeza de ingeniería muy personalizada y multidisciplinar. Los antiguos métodos basados en documentos no pueden manejar la complejidad de estos modernos programas de desarrollo vehículos, lo que da lugar a plazos de desarrollo inaceptables y a la introducción de errores potencialmente bloqueantes. La ingeniería de sistemas basada en modelos es el siguiente paso en el desarrollo integrado de productos y puede coordinar eficazmente múltiples dominios de ingeniería y cadenas de suministro globales con el gemelo digital como elemento clave para hacer posibles los vehículos avanzados del mañana.
