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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 – 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