- Breve histórico da engenharia de sistemas no Brasil e iniciativas atuais de modelagem no IAE - Visão geral do IAE, incluindo suas instalações e projetos principais - Uso de simulação e modelagem no projeto do motor foguete L75 no IAE

1. PLANO
OPENCADD UNIVERSITY
Openday - 28 Setembro 2017
INPE
São José dos Campos
Breve histórico da engenharia de sistemas no Brasil
Iniciativas atuais de desenvolvimento baseado em modelos no IAE
Carlos Lahoz

2. SUMÁRIO
- O IAE
- Breve histórico da Eng. Sistemas no Brasil
- Requisitos e modelagem na Eng. Sistemas
- Iniciativas de modelagem no IAE
- Considerações finais

3. O IAE

4. IAE
Instituto pertencente ao Departamento de
Ciencia e Tecnologias Aeroespaciais
São José dos Campos:
2.086.443 m2 de área total
54.078 m2 de área construída
975.150 m2 de área verde
297 edificações
56 laboratórios
60 Km fibra ótica
3657 equipamentos/ instrumentos

5. IAE

6. SINDAE, PNAE e o IAE
Organizar a execuOrganizar a execuçãção das atividades espaciais.o das atividades espaciais.
AEBAEB –– óórgrgãão central e responso central e responsáável pelavel pela coordenacoordenaçãçãoo geral.geral.
DCTA e OMDCTA e OM SubordinadasSubordinadas –– responsresponsááveis pelaveis pela execuexecuçãçãoo dos principais projetos e atividadesdos principais projetos e atividades
estratestratéégicos dogicos do PNAEPNAE..
Setor Espacial
SINDAE – Decreto nº
1953, de 10 jul 1996

7. O IAE

8. O IAE

9. O IAE

10. IAE: VLM-1
VLM-1
10
Futuro Veículo Lançador
ProjetoProjeto dede acesso ao espaacesso ao espaççoo..
TeveTeve ininíício em 2014 com a assinaturacio em 2014 com a assinatura
do Convdo Convêênio com a FUNCATE.nio com a FUNCATE.

11. IAE: VLM-1
Foguete de três estágios, constituídos por motores a propelente sólido, com 1,5 m de
diâmetro. A missão de referência do veículo é a colocação em órbita circular baixa de
microssatélites de massa até 150 kg.
EstEstáágiosgios 33
ComprimentoComprimento 18,3 m18,3 m
Massa totalMassa total 24,2 t24,2 t
PropelentePropelente 20,5 t20,5 t
DiDiââmetrometro 1,5 m1,5 m
EstEstáágiosgios 33
ComprimentoComprimento 18,3 m18,3 m
Massa totalMassa total 24,2 t24,2 t
PropelentePropelente 20,5 t20,5 t
DiDiââmetrometro 1,5 m1,5 m

12. IAE: L75
Objetivo: dominar as tecnologias necessárias para o desenvolvimento de um motor
foguete a propelente líquido capaz de equipar um estágio de propulsão líquida. Último
estágio: inserção precisa em órbita.

13. IAE: SIA - Sistemas Inerciais-Aplicação Aeroespacial
Objetivo: atender às necessidades do IAE e do INPE. Exemplos: SISNAV e Bloco
Girométrico Tetraédrico (BGT). Utilizam Girômetros à Fibra Óptica (GFO) produzidos no país.

14. Breve histórico da ES no Brasil

15. História da ES
Modelagem e requisitos na industria da alta tecnologia e a Engenharia de Sistemas
A industria de alta tecnologia tem forte ligação com a área aeroespacial.
A área aeroespacial foi a principal precursora da engenharia de sistemas (1940s).
A engenharia de sistemas e a análise de sistemas influenciaram fortemente a engenharia
de requisitos nos anos 1980, 1990 e 2000.
As abordagens de Product Lifecycle Management (PLM) e Model Based Engineering
(MBE) foram incorporadas rapidamente pela engenharia de sistemas.

16. História da ES
1940
1937
National Defense
Research
Committee (NDRC)
1946
RAND (Research
And Development)
denominação de
Análise de Sistemas
1945
“Plano Smith”
idealização da criação
do ITA
1945 (até1953)
DoD-Bell Labs
sistema não detectável de
misseis antiaéreos.
1946
criação do “Centro
Técnológico da
Aeronáutica”

17. História da ES
1958 (até 1963)
NASA
programas Mercury e
Gemini
1954 (até 1964)
projeto ICBM
ATLAS, ger. Ramo-
Wooldridge Corp.
1950
1951 (até 1980):
SAGE (Semi Automatic
Ground Environment)
sistema de defesa aérea
1950:
Ensino de ES no
MIT (prof Gilman,
Bell Labs)

18. História da ES no Brasil
1954
Criado o IPD
Projeto do Convertiiplano
resultando no Beija-flor
1950
1950
ITA é transferido para
SJCampos
1958 (até 1963)
NASA
programas
Mercury e Gemini

19. IAE
Instituto pertencente ao Departamento de
Ciencia e Tecnologias Aeroespaciais
São José dos Campos:
2.086.443 m2 de área total
54.078 m2 de área construída
975.150 m2 de área verde
297 edificações
56 laboratórios
60 Km fibra ótica
3657 equipamentos/ instrumentos

20. IAE
Instituto pertencente ao Departamento de
Ciencia e Tecnologias Aeroespaciais
São José dos Campos:
2.086.443 m2 de área total
54.078 m2 de área construída
975.150 m2 de área verde
297 edificações
56 laboratórios
60 Km fibra ótica
3657 equipamentos/ instrumentos

21. IAE
Instituto pertencente ao Departamento de
Ciencia e Tecnologias Aeroespaciais
São José dos Campos:
2.086.443 m2 de área total
54.078 m2 de área construída
975.150 m2 de área verde
297 edificações
56 laboratórios
60 Km fibra ótica
3657 equipamentos/ instrumentos

22. IAE
Instituto pertencente ao Departamento de
Ciencia e Tecnologias Aeroespaciais
São José dos Campos:
2.086.443 m2 de área total
54.078 m2 de área construída
975.150 m2 de área verde
297 edificações
56 laboratórios
60 Km fibra ótica
3657 equipamentos/ instrumentos

23. IAE
Instituto pertencente ao Departamento de
Ciencia e Tecnologias Aeroespaciais
São José dos Campos:
2.086.443 m2 de área total
54.078 m2 de área construída
975.150 m2 de área verde
297 edificações
56 laboratórios
60 Km fibra ótica
3657 equipamentos/ instrumentos

24. História da ES: MBSE
2000 2010
2001
MBSE Initiative
(INCOSE)
1994
UML
(Booch e OMT)
2001
SysML
(OMG, Incose)
2005
Harmony SE
(Logitech)
1995
OOSEM
(Incose)
2005
Vitech MBSE
SDL
??
Matlab Simulink,
SCADE
??
Labview
1987
AutoCAD

25. Requisitos e modelagem na ES

26. Requisitos e Modelagem
Mudança de paradigma
ES centrada em documento para a ES centrada em modelos (MBSE).
mudança de paradigma
centrado em documento centrado em modelo

27. Requisitos e Modelagem
Vantagens de um modelo:
- Criar uma versão simplificada de um conceito, fenômeno, relacionamento, estrutura ou
sistema;
- Representação gráfica, matemática ou física;
- Através de uma abstração da realidade, eliminando componentes desnecessários
- Os objetivos de um modelo incluem;
• facilitar a compreensão, auxiliar na tomada de decisões, explicar, controlar e prever
eventos

28. Requisitos e Modelagem
Engenharia Baseada em Modelos (MBE)
“Uma abordagem para a engenharia que usa modelos como parte integrante da baseline
técnica, que inclui requisitos, análise, projeto, implementação e verificação da
capacidade, sistema e / ou produto ao longo do ciclo da vida de aquisição."
(Relatório Final, Subcomité de Engenharia Baseada em Modelos, NDIA, fevereiro de 2011)
Engenharia de Sistemas Baseada em Modelos (MBSE)
“Aplicação formalizada da modelagem para dar suporte aos requisitos do sistema,
projeto, análise, verificação e validação, começando na fase de projeto conceitual e
continuando ao longo do desenvolvimento das fases seguintes do ciclo de vida".
(INCOSE SE Vision 2020 (INCOSE-TP-2004-004-02, Sep 2007)

29. Requisitos e Modelagem
MBSE: O que?
Os modelos digitais têm sido comuns na engenharia desde o final da década de 1960,
mas o foco de hoje na engenharia baseada em modelos ultrapassa só o uso de
diferentes modelos:
• MBE muda o registro da autoridade de documentos convencionais para os modelos
digitais, incluindo M-CAD, ECAD, SysML e UML, gerenciados em um ambiente rico de
informação.
• A mudança do paradigma MBE faz as equipes de engenharia entenderem melhor os
impactos das alterações de projeto, a comunicação das intenções de projeto e a análise
de projeto antes destes serem construídos

30. Requisitos e Modelagem
MBSE: Por que?
A engenharia de sistemas baseada em modelo fornece um mecanismos para direcionar
uma maior profiundidade na engenharia de sistemas sem necessariamente aumentar os
custos.
• As especificações centradas em dados proporciona automação e otimização,
permitindo que a engenharia de sistema se concentre nas tarefas de maior valor
agregado.
• Níveis sem precedentes de compreensão de sistemas podem ser alcançado através de
análises integradas, vinculadas a uma baseline técnica centrada em modelo (modelo
dirigido a especificação, gerando uma análise e projeto mais proximos da automação).

31. Requisitos e Modelagem
MBSE: Como?
A chave para uma abordagem bem sucedida baseada em modelo é a definição correta
do escopo do problema:
• O que se quer dos modelos?
• Que fidelidade será necessário para atingir esses objetivos?
• Quais são os critérios de sucesso para o dirigir todo o esforço?
• Escopo e gerenciamento de modelagem é tanto arte como ciência.
• A mudança para o paradigma dirigido a modelo, em uma organização, leva tempo e
investimento contínuo.

32. Iniciativas de modelagem no IAE

33. IAE: Motor Foguete a Propelente Líquido L75
Principal função
Converter um fluxo de propelentes em empuxo
Principais Requisitos
Empuxo: 75 kN no vácuo
Propelentes: oxigênio líquido e etanol
Vazão máxima de propelentes: 25 kg/s
Tempo de operação: 400 s
Motor de
Formula 1
Turbofan
CF6-80
(Jumbo 747)
Motor
foguete
L75
Potência, hp 850 hp
Massa 100 kg
Potência/massa 7 kW/kg
Empuxo 300 kN
Potência 38.000 hp
Massa 4.400 kg
Potência/massa 6 kW/kg
Empuxo 75 kN
Potência 320.000 hp
Massa 200 kg
Potência/massa 1200 kW/kg
Escolhida a
arquitetura do
ciclo aberto com
Gerador de Gás
Comparação com outros propulsores

34. IAE: Motor Foguete a Propelente Líquido L75
Aplicações de M&S no projeto L75
- Otimização do ciclo do motor
- Projeto dos subsistemas
- Definição do envelope operacional do motor
e identificação de modos de falhas
- Derivação de requisitos para subsistemas
- Especificação do Sistema de Controle
- Verificação de requisitos do motor e
subsistemas
- Planejamento de ensaios
- Projeto dos bancos de ensaio
- Interpretação de dados de ensaio
- Algoritmo de detecção de falhas
Domínios modelados
Hidráulica: Bombas, Válvulas, Reguladores, Injetores e
Dutos
Combustão: Câmara de Combustão e Gerador de Gás
Termodinâmica: Turbina
Transferência de calor: Jaqueta de Arrefecimento da
Câmara de Combustão
Instrumentação: Dinâmica dos Transdutores
Pneumática: Sistema de Purga
Leis de controle: Sistema de Controle e Banco de
Ensaio
Mecânica dos Sólidos: Integridade estrutural
Ferramentas
LabVIEW
AMESim/AMESet
Python
ANSYS

35. IAE: Motor Foguete a Propelente Líquido L75
Aplicação em LabVIEW para simulação do Motor
L75 nos extremos do envelope de operação
Modelos dinâmicos no AMESim
Modelo da
turbobomba em
LabVIEW
Motor completo
simplificado
Linha de
oxigênio líquido
detalhada

36. IAE: Simulação em Malha Fechada (HIL)
Modelo de controle e diagrama de simulação

37. IAE: Simulação em Malha Fechada (HIL)
Configuração HTLI VLS-1 inicial

38. IAE

39. IAE: Simulação em Malha Fechada (HIL)
Estrutura de Código
(Real Time)

40. IAE: Simulação em Malha Fechada (HIL)
Simulação em Malha Fechada (HIL) para Aplicação Espacial (4/4)
Ensaios isolados e
resultados HITL

41. IAE: Banco de Controle para foguete de sondagem
Id Requisito Origem
RF_01 O sistema deve exigir senha para acesso. UC_01
RF_02 O sistema deve identificar o operador. UC_01
RF_03 O sistema deve permitir configuração dos valores de
tensão ....
UC_02
RF_04 O sistema deve exibir na tela os valores de tensão e
corrente ...
UC_03
RF_09 O sistema deve exibir na tela a informação do processo
de carregamento das Baterias (Ligada/Desligada).
UC_06
Id Requisito Origem
RF_01 O sistema deve exigir senha para acesso. UC_01
RF_02 O sistema deve identificar o operador. UC_01
RF_03 O sistema deve permitir configuração dos valores de
tensão ....
UC_02
RF_04 O sistema deve exibir na tela os valores de tensão e
corrente ...
UC_03
RF_09 O sistema deve exibir na tela a informação do processo
de carregamento das Baterias (Ligada/Desligada).
UC_06
Modelos de caso de uso mapeados em requisitos textuais

42. IAE: Banco de Controle para foguete de sondagem
Rastreabilidade entre Requisitos X Métodos das
Classes.
Diagrama de Classes do Software
Classes e Métodos Requisitos Funcionais
Cl_01 Classe Operador
FazerLogin RF_01, RF_02
FinalizarSistema RF_23
Cl_02 Classe FAE/FC
ConfigurarTensao RF_03
ConfigurarCorrente RF_03
Cl_03 Classe Tela
AtualizarTela200ms RT_03
ExibirGrafico RF_11
ExibirTensaoEquip RF_04, RF_05
ExibirCorrenteEquip RF_04, RF_05
Classes e Métodos Requisitos Funcionais
Cl_01 Classe Operador
FazerLogin RF_01, RF_02
FinalizarSistema RF_23
Cl_02 Classe FAE/FC
ConfigurarTensao RF_03
ConfigurarCorrente RF_03
Cl_03 Classe Tela
AtualizarTela200ms RT_03
ExibirGrafico RF_11
ExibirTensaoEquip RF_04, RF_05
ExibirCorrenteEquip RF_04, RF_05

43. IAE: Banco de Controle para foguete de sondagem
Diagrama de Atividades - Monitorar
Tensão e corrente do TPT

44. IAE: Software controle (P&D)
Plataforma OSATE (AADL) de um
software de controle (sw + hw)
(*) Analysis and Design Language
(AADL) é uma linguagem de descrição
de arquitetura padronizada pela SAE e
foi desenvolvida no campo da
aviação.

45. SINDAE, PNAE e o IAE
Organizar a execuOrganizar a execuçãção das atividades espaciais.o das atividades espaciais.
AEBAEB –– óórgrgãão central e responso central e responsáável pelavel pela coordenacoordenaçãçãoo geral.geral.
DCTA e OMDCTA e OM SubordinadasSubordinadas –– responsresponsááveis pelaveis pela execuexecuçãçãoo dos principais projetos e atividadesdos principais projetos e atividades
estratestratéégicos dogicos do PNAEPNAE..
Setor Espacial
SINDAE – Decreto nº
1953, de 10 jul 1996

46. IAE: Software
controle
(P&D)
Plataforma OSATE (AADL) detalhe
das tarefas e das propriedades
Recursos:
System, process, threads, processor,
bus, virtualbus, devide, mode
Pacote de análises:
Consistencia, FTA, impacto de falhas
(FMEA), anexo de erros.

47. Considerações finais

48. Considerações: Tendencias
Model Based Development & Verification (MBD) como suplemento para a DO 178C e DO-278A
DO 178C: provê critérios para cerificação civil, incluindo requisitos de aeronavegabilidade para
equipamentos avionicos, incluindo software.
DO 331 (2011) suplementa a 178C e a DO278A no que tange aos aspectos de modelagem, incluindo:
- Subconjunto de tecnologias MBD a ser usada em software safety;
- Métodos de engenharia gráfica para projeto de sistemas de software;
- Distinção entre dois tipos de modelos: de especificação e de projeto;
- Determinação de quais tipos de artefatos dirigidos a modelos são aplicaveis aos objetivos e as
atividades do processo de desenvolvimentos (e de seus produtos, como SRD e SDD).
.

49. Considerações: Tendencias
Modelagem, Simulação e Visualização
A visualização e a simulação ajudando a identificar incompatibilidades em interfaces e processos de
montagem no início do projeto antes que os custos de hardware possam ser totalmente comprometidos,
evitando o redesenho caro no final do ciclo de vida do projeto do sistema.
A Boeing revelou seu último jato, o 787 Dreamliner em um lançamento virtual.
Boeing virtualmente criou peças, e integrou e montou o sistema antes de cortar qualquer peça na fabrica.

50. Considerações: Tendencias
Rastrabilidade de Projeto para MBSE
Software e a eletrônica em projetos estão se tornando cada vez mais complexos. Uma alternativa é gerenciar a
complexidade do projeto, incluindo arquitetura, requisitos, interfaces, comportamento e vetores de teste através de
MBSE.
A Ford estabeleceu a rastreabilidade de design digital em seus sistemas elétricos e de software de bordo aplicando
múltiplas tecnologias de modelagem integradas, incluindo UML, SysML, Simulink com um sistema subjacente.

51. Considerações
Modelagem e requisitos na industria da alta tecnologia e a Engenharia de Sistemas
Com o advento da Industria 4.0, a Internet da Coisas IoT e os sistemas cyber-fisicos, a
engenharia de sistemas desempenha um papel significativo nesse cenário.
Product Lifecycle mngt
Esta disciplina que abrange todas as disciplinas de engenharia, mas olhando para o
sistema em um nível abstrato e holístico. Bem executada, é a colagem perfeita entre
as disciplinas.

52. Considerações
Modelagem: reduz custo e melhoria na qualidade do projeto (Steven P. Miller, Model-Based Design &
Analysis, Rockwell-Collins)
elicitação de
requisitos
modelagem
simulação
Analise automática
código
automático
autoteste
reuso
especificações mais claras
melhoria da comunicação
validação mais fácil
descoberta de erros mais cedo
eliminação de código manual
modelo é o artefato mais importante
redução do custo de teste
realização de masis testes
10%
10%
15%
5%
10% - 20%

53. Obrigado
Carlos H N lahoz
lahozchnl@iae.cta.br
carloslahoz@gmail.com
12-997131177