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Vorlesung im Wintersemester 2012/13 SYSTEMENTWURF Systems Engineering FG System- und Software-Engineering Prof. Dr.-Ing. Armin Zimmermann

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Vorlesung im Wintersemester 2012/13

SYSTEMENTWURF

Systems Engineering

FG System- und Software-EngineeringProf. Dr.-Ing. Armin Zimmermann

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 2

Inhalt

Systemgestaltung – Vorgehen Ablauf, Vorgehensmodelle, Prinzipien

Zielsuche Situationsanalyse, Zielformulierung, Anforderungen

Lösungssuche Ideen entwickeln, Konzept überprüfen

Auswahl Modellieren, Bewerten, Entscheiden

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 3

Systemgestaltung – Vorgehen

Systems Engineering Ein Denk- und Vorgehensansatz zur systematischen

Lösung komplexer Probleme

Inhalt dieses Kapitels Wie läuft Systems Engineering ab – Vorgehen Welche Methoden und Modelle werden eingesetzt

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 4

System-Engineering

Software und Systems Engineering Software ist ein zunehmend wichtiger Teil von Systemen Systeme aus allgemeiner Hardware mit angepasster

Software ersetzen Spezialgeräte System-Engineering und Software-Engineering sind

ähnlich: Problem, Herangehensweise, manche Modelle Problem: Systems Engineering basiert eher auf klassischen

Ingenieursdisziplinen Software Engineering (und Software als Baustein) ist sehr

viel weniger gut verstanden als klassische Systeme Begriff “Software-intensive Systeme”

SSE Zimmermann Systems Engineering – 5Systementwurf

Systemgestaltung – Vorgehen

Life-cycle engineering view

Development phase Utilization phase

Product use Phase out and

Disposal

Conceptual & Preliminary

Design

Detail Design &

Development

Production and/or

ConstructionNEE

D

Design

Manufacture

Deployment

Manufacturing Configuration

Design

Manufacturing Operations

Product support and

maintenance

Product support configuration

design and development

Quelle: M. R. Shankar

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 6

Systemgestaltung – Vorgehen

Ablauf des Systementwurfs Anforderungen bestimmen Spezifikation Entwurf Architektur Feinentwurf, Komponenten Realisierung (SW, HW) Integration Abnahme

Dabei: Testen

SSE Zimmermann Systems Engineering – 7Systementwurf

Systemgestaltung – Vorgehen

Quelle: M. R. Shankar

Datenfluss-Sicht auf Systemgestaltung und umgebende

Prozesse

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 8

Systemgestaltung – Vorgehen

Phasenmodelle in der Softwareentwicklung Sequenziell Phasen strikt nacheinander, Dokumenten-orientiert Keine Änderungen abgeschlossener Artefakte

Nebenläufig Phasen laufen teilweise parallel für bessere Zeitnutzung Weiterhin keine Änderungen fertiger Dokumente

Inkrementell Unterteilung des Produkts in Teile Schnellere Auslieferung von Teilfunktionalität nach

vollständiger Aufnahme der Anforderungen

Alternative: Evolutionär Anforderungen entwickeln sich im Projekt Ausgelieferte Versionen ergeben neue Anforderungen

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 9

Systemgestaltung – Vorgehen

Wasserfallmodell Abhängigkeiten zwischen Teilergebnissen; sequenziell

Quelle: Royce, Rumpe

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 11

Systemgestaltung – Vorgehen

V-Modell ´97

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 12

Systemgestaltung – Vorgehen

evolving system

initial requirements

first prototypealpha demo

go, no-go decisioncompletion

Planning =determination of objectives, alternatives and constraints

Risk Analysis = Analysis of alternatives and identification/resolution of risks

Customer Evaluation =Assessment of the results of engineering

Engineering =Development of the next level product

Risk =something that will delay project or increase its cost

Spiralmodell [Boehm]

Quelle: Nierstrasz

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 13

Systemgestaltung – Vorgehen

Spiralmodell Risikogetrieben: Größte Projektrisiken identifizieren und

als erstes bearbeiten (Prototyp?) Spirale = iterativer Zyklus durch dieselben Schritte Ziele jedes Durchlaufs aus alten Ergebnissen ableiten Kosten/Nutzen abwägen Regelmäßige Überprüfung des Prozessmodells Anpassbar Hoher Management-Overhead, große Projekte

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 14

Systemgestaltung – Vorgehen

SE-Vorgehensprinzipien nach Daenzer Vom Groben zum Detail Hierarchieprinzip Variantenbildung Konzept-Integration

Problemlösungszyklus Zielsuche Lösungssuche Auswahl

Phasenmodell Entwicklung (Vorstudie, Hauptstudie, Detailstudie) Realisierung (Systembau, Systemeinführung) Nutzung (Nutzung, Änderung, Außerbetriebnahme)

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 15

Herangehensweise

Probleme lösen1.Problem formulieren

2.Problem analysieren

3.Lösungsvarianten suchen

4.Bewerten und Entscheidung treffen

5. Lösung spezifizieren und realisieren

6. Testen und Einführen

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 16

Systemgestaltung – Vorgehen

Phasen nach Daenzer

Vorentwicklung 1. Projektanstoß

- Entscheidung ob Vorstudie notwendig ist oder nicht

Entwicklung 2. Vorstudie: Abstecken der Grenzen des Problemfeldes 3. Hauptstudie: Struktur des Gesamtsystems verfeinern 4. Detailstudien

- Betrachtung von Untersystemen bzw. Systemaspekten

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 17

Systemgestaltung – Vorgehen

Realisierung 5. Systembau und Tests

- Konstruktion von Lösungsmöglichkeiten- Teil- und Gesamtlösungen bis zur Einführungsreife

6. Systemeinführung- Gesamteinführung (kleine Systeme), sonst stufenweise- Prüfung der Erfüllung von Zielen und Spezifikationen- Abschlusstest- Übernahme

7. Abschluss des Projekts- Abrechnung, Archivierung, Manöverkritik, etc.

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 18

Systemgestaltung – Vorgehen

Nutzung 8. Instandhaltung 9. Veränderung 10. Außerbetriebnahme

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 19

Systemgestaltung – Vorgehen

Problemlösungs-zyklus Dient der systematischen

Lösung von Problemen Anwendbar in

jeder Projektphase

Quelle: Daenzer, Krömker

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 20

Systemgestaltung – Vorgehen

Problemlösungs-zyklus Zusammenhänge

zwischen den Teilschritten

Quelle: Daenzer

SSE Zimmermann Systems Engineering – 21Systementwurf

Systemgestaltung – Vorgehen

%

100

50

75

25

Commitment to technology, configuration, cost etc

System specific knowledge

Cost incurred

Ease of change

Concept & prelim. design

Detail design & development

Production Use, phase-out disposal Bild: M. R. Shankar

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 22

Inhalt

Systemgestaltung – Vorgehen Ablauf, Vorgehensmodelle, Prinzipien

Zielsuche Situationsanalyse, Zielformulierung, Anforderungen

Lösungssuche Ideen entwickeln, Konzept überprüfen

Auswahl Modellieren, Bewerten, Entscheiden

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 23

Zielsuche – Situationsanalyse

Situationsanalyse Klärung von Ausgangssituation und Aufgabenstellung Ziel: Erforschen des Problembereichs Systemverständnis, Analyse

Ziele der Analyse im Einzelnen Probleme verstehen, Ursachen ergründen Aufgabenstellung und Ausgangssituation erkennen Problemfeld strukturieren und abgrenzen Gestaltungsbereich für die Lösungssuche bestimmen Informationsbasis für folgende Phasen schaffen

nach Krömker

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 24

Zielsuche – Situationsanalyse

Systemorientierte Betrachtung System und Umgebung herausarbeiten und abgrenzen Strukturmodelle für Systeme, Systemteile und relevante

Teile der Umgebung erarbeiten Aufbauorientierte Betrachtung

Andere Möglichkeiten orientiert an Funktion (z.B. Flugzeugbau) Ablauf Ursache-Wirkung

nach Krömker

SSE Zimmermann Systems Engineering – 25Systementwurf

Zielsuche – Situationsanalyse

Quelle: H. Krömker

Ablaufdiagramm Materialfluss einer Firma

SSE Zimmermann Systems Engineering – 26Systementwurf

Zielsuche – Situationsanalyse

Quelle: Daenzer, Krömker

Vorgehen: Vom Groben zum Detail

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 27

Herangehensweise

Top-Down Systemverständnis und Entwurf beginnen auf

abstraktester Ebene (“oben”) Ein- und Ausgänge, Abhängigkeiten betrachten System(modell) in Einzelteile zerlegen Verbindungen, Abhängigkeiten beschreiben … usw. nach “unten”,

bis nötiger Detaillierungsgrad erreicht ist

Iterativ Sequentielles Wasserfallmodell ist unrealistisch

SSE Zimmermann Systems Engineering – 28Systementwurf

Zielsuche – Situationsanalyse

Vorgehen: Einengen des Betrachtungsfeldes

Quelle: Daenzer, Krömker

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 29

Zielsuche – Situationsanalyse

Darstellung des Systemverhaltens

Was ist Verhalten? Dynamischer Systemaspekt Zustandsvariablen, Veränderung über der Zeit Diskret / kontinuierlich Stochastisch? Beobachtbar? Steuerbar? …

Darstellung Flussdiagramme (?) Funktionsblöcke aus Systemtheorie / Regelungstechnik Petri-Netze, Markov-Ketten, Automaten, Warteschlangen Programmablaufpläne Elemente der UML

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 30

Zielsuche – Situationsanalyse

Zustandsautomat Verhalten mit Zuständen und -übergängen Automatenmodelle und -theorie Ggf. Zerlegung oder kommunizierende Automaten

Quelle: Rumpe

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 31

Zielsuche – Situationsanalyse

Ablauf als Aktivitätsdiagramm UML Hierarchische

Verfeinerung

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 32

Zielsuche – Situationsanalyse

Aufbau Systemverständnis Befragungstechniken Mündlich: strukturierte Interviews Schriftlich: Formulare Achtung: Interessen, statistische Aussagekraft?

Beobachtungstechniken .. anschließend dokumentieren / modellieren Messen Versuchsreihen, Versuchsplanung Statistische Auswertung Regressions- und Korrelationsanalyse

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 33

Zielsuche – Zielformulierung

Zielformulierung Systematische Zusammenfassung der Absichten für die

Lösungssuche Einteilung in Muss-, Soll- und Wunschziele

Ziele Aussagen darüber, was mit einer zu gestaltenden Lösung

erreicht bzw. vermieden werden soll Verbindliche Grundlage für weitere Schritte Anforderungen / Requirements

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 34

Zielsuche – Zielformulierung

Anforderung Bedingung oder Fähigkeit, die von einer Person zur

Lösung eines Problems oder zur Erreichung eines Ziels benötigt wird (IEEE)

Funktionale Anforderungen Interaktion des Systems mit der Umgebung Was soll es tun

Nichtfunktionale Anforderungen Leistungsfähigkeit, Kosten, Physikalische Größe, Gewicht Energieverbrauch, Zuverlässigkeit, Bedienbarkeit …

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 35

Zielsuche – Zielformulierung

Geforderte Eigenschaften Vollständig: alle Szenarien sind beschrieben Konsistent: keine Widersprüche Eindeutig: nur eine Interpretation möglich Korrekt: genaue und richtige Darstellung

Realistisch: unter geg. Einschränkungen implementierbar Überprüfbar: durch Tests am Endprodukt nachweisbar Rückverfolgbar: Auswirkungen bis zur Implementierung

nachvollziehbar (Testfälle, Auswirkung von Änderungen)

Validierung mit dem Kunden

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 36

Zielsuche – Zielformulierung

Lastenheft Beschreibt nach DIN 69905 „die Gesamtheit aller

Forderungen an die Lieferungen und Leistungen eines Auftraggebers“

Dokument zum Ingangsetzen des Qualitätsmanagements

Muss weder präzise noch vollständig sein Enthält wesentliche Basisanforderungen

und damit erste Bewertungskriterien

Quelle: Krömker

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 37

Zielsuche – Zielformulierung

Pflichtenheft Auch Fachfeinkonzept – enthält nach DIN 69905 die „vom

Auftragnehmer erarbeiteten Realisierungsvorgaben“ und beschreibt somit die „Umsetzung des vom Auftraggeber vorgegebenen Lastenhefts“.

Meist vertragliche Grundlage für Realisierung

Anforderungen an die Inhalte Präzision, Vollständigkeit, Nachvollziehbarkeit Enthält alle wesentlich Bewertungskriterien in Form von

Anforderungen und Zielen

Quelle: Krömker

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 38

Inhalt

Systemgestaltung – Vorgehen Ablauf, Vorgehensmodelle, Prinzipien

Zielsuche Situationsanalyse, Zielformulierung, Anforderungen

Lösungssuche Ideen entwickeln, Konzept überprüfen

Auswahl Modellieren, Bewerten, Entscheiden

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 39

Lösungssuche

Synthese von Lösungen Erzeugen von Lösungsvarianten Ziel: Erforschen des Entwurfsraums (design space) Kreativer Teil

Analyse der Lösungen Prüfung der Varianten (Muss-) Anforderungen erfüllt? Schwachstellen?

Ziel: Verwerfen ungeeigneter Alternativen

nach Krömker

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 40

Lösungssuche

Techniken zur Lösungssuche Kreativitätstechniken Brainstorming: Beschränkter Teilnehmerkreis,

Visualisierung der Ideen, Moderation, beschränkte Kritik Kärtchentechnik Ähnlichkeitsanalysen: Vergleich mit fachfremden Systemen,

die gewünschte Eigenschaften haben Kombinationstechnik, Attributvarianten

Ideen bevorzugen, die möglichst wenig einschränken Konzepte modular aufbauen Schnittstellen einfach halten

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 41

Lösungssuche

Analyse von Lösungen Zuverlässigkeits-Analyse Sicherheits-Analyse Katastrophen-Analyse Akzeptanz-Analyse Risiko-Analyse .. geht in Phase Bewertung/Auswahl über

Vorgehen Mathematische Methoden, Simulation Plausibilitäts-Test

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 42

Inhalt

Systemgestaltung – Vorgehen Ablauf, Vorgehensmodelle, Prinzipien

Zielsuche Situationsanalyse, Zielformulierung, Anforderungen

Lösungssuche Ideen entwickeln, Konzept überprüfen

Auswahl Modellieren, Bewerten, Entscheiden

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 43

Auswahl

Bewertung Vergleich tauglicher Varianten Ermittlung der besten Variante Bewertungskriterien: Festlegung anhand der Soll- und

Wunschziele Ziel: Erforschen des Wirkungsbereichs Mehr im Verlauf der LV sowie in QSMA und SSE

Entscheidung und Auswahl Auswahl der weiter zu bearbeitenden Lösungsvariante Ziel: Ergebnis, Lösung des Problems

nach Krömker

SSE Zimmermann Systems Engineering – 44Systementwurf

Modellbasierte Entwicklung

geplantes System Modell

Bewertung Ziele erfüllt?

Modelländern

Systemrealisieren

ja

nein

Anforde-rungen

Leistungs-maße

ersetzt Prototyp

SystementwurfSSE Zimmermann Systems Engineering – 45

Herangehensweise

Three Laws of Systems Engineering

Everything Interacts with Everything Else Decomposition

Everything Goes Somewhere Interfaces

There is No Such Thing as a Free Lunch Trade-off Studies / Decision Analysis