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1 SYSTEM- UND SOFTWARE-ENGINEERING Kapitel 2 Systems Engineering Vorlesung im Wintersemester 2012/13 FG System- und Software-Engineering Prof. Dr.-Ing. Armin Zimmermann

2 Inhalt Systemgestaltung Vorgehen Ablauf, Vorgehensmodelle, Prinzipien Zielsuche Situationsanalyse, Zielformulierung, Anforderungen Lösungssuche Ideen entwickeln, Konzept überprüfen Auswahl Modellieren, Bewerten, Entscheiden Systems Engineering 2

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 Systems Engineering 3

4 Systemgestaltung Vorgehen Development phase Utilization phase Design NEED Conceptual & Preliminary Design Detail Design & Development Production and/or Construction Product use Phase out and Disposal Manufacture Manufacturing Configuration Design Manufacturing Operations Deployment Product support configuration design and development Product support and maintenance Life-cycle engineering view Quelle: M. R. Shankar Systems Engineering 4

5 Systemgestaltung Vorgehen Identification of need Research Input Conceptual design Preliminary Design Detailed Design & Development Production/Construction System concept Subsystem design Component design Utilization & Support Phase-out and Disposal Product life cycle Quelle: M. R. Shankar Systems Engineering 5

6 Systemgestaltung Vorgehen Ablauf des Systementwurfs Anforderungen bestimmen Spezifikation Entwurf Architektur Feinentwurf, Komponenten Realisierung (SW, HW) Integration Abnahme Dabei: Testen Systems Engineering 7

7 Systemgestaltung Vorgehen Zusammenhang und Abhängigkeiten Quelle: SE Fundamentals Systems Engineering 8

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 Systems Engineering 11

9 Systemgestaltung Vorgehen Wasserfallmodell Abhängigkeiten zwischen Teilergebnissen; sequenziell Quelle: Royce, Rumpe Systems Engineering 12

10 Systemgestaltung Vorgehen V-Modell [Boehm] Explizite Adressierung von Qualitätssicherung Quelle: Rumpe Systems Engineering 13

11 Systemgestaltung Vorgehen Iterativer Entwicklungsprozess Spezifikation, Entwurf und Implementierung müssen immer wieder verändert und angepasst werden Häufiges Integrieren, Validieren und Testen You should use iterative development only on projects that you want to succeed. [Fowler] Inkrementelle Entwicklung Wenn möglich, sollte es immer einen lauffähigen (unvollständigen) Prototypen geben Neue Funktionen sofort integrieren Neue Versionen gegenüber Anforderungen Validieren Systems Engineering 16

12 Systemgestaltung Vorgehen Spiralmodell [Boehm 1987] Quelle: Brügge/Dutoit Systems Engineering 17

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 Systems Engineering 19

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) Systems Engineering 20

15 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 Systems Engineering 21

16 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. Systems Engineering 22

17 Systemgestaltung Vorgehen Nutzung 8. Instandhaltung 9. Veränderung 10. Außerbetriebnahme Systems Engineering 23

18 Systemgestaltung Vorgehen Problemlösungszyklus Dient der systematischen Lösung von Problemen Anwendbar in jeder Projektphase Quelle: Daenzer, Krömker Systems Engineering 24

19 Systemgestaltung Vorgehen Problemlösungszyklus Zusammenhänge zwischen den Teilschritten Quelle: Daenzer Systems Engineering 25

20 Systemgestaltung Vorgehen Bedeutung der Teilschritte während der verschiedenen Projektphasen Problemlösungszyklus Projektphasen Vorstudie Hauptstudie Detailstudie Phasengliederung und Problemlösungszyklus Zielsuche Lösungssuche Auswahl Systembau Systemeinführung Quelle: Daenzer, Krömker Systems Engineering 27

21 Systemgestaltung Vorgehen % 100 Commitment to technology, configuration, cost etc 75 Cost incurred 50 System specific knowledge 25 Ease of change Concept & prelim. design Detail design & development Production Use, phase-out disposal Bild: M. R. Shankar Systems Engineering 28

22 Inhalt Systemgestaltung Vorgehen Ablauf, Vorgehensmodelle, Prinzipien Zielsuche Situationsanalyse, Zielformulierung, Anforderungen Lösungssuche Ideen entwickeln, Konzept überprüfen Auswahl Modellieren, Bewerten, Entscheiden Systems Engineering 30

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 Systems Engineering 31

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 Systems Engineering 32

25 Zielsuche Situationsanalyse Informationsdarstellung Mit Modellen Auswahl Modellart Modellieren, Abstrahieren, Systemgrenzen Validieren Analysieren UML (Softwaretechnik) SysML Systems Engineering 33

26 Zielsuche Situationsanalyse Statische Darstellung der Systemstruktur Graphen Knoten (Kreise/Rechtecke) stellen Elemente dar Kanten (Linien) stellen Beziehungen dar Graphtypen Aufbaudiagramme Ablaufdiagramme Tabellen / Matrizen Komponenten werden in Tabelle angeordnet Markierung von Kreuzungspunkten stellt Beziehungen dar Intensität von Beziehungen durch Angabe von Werten nach: Krömker Systems Engineering 34

27 Zielsuche Situationsanalyse Beispiel: Blockschaltbild Hörfunkstudio Quelle: H. Krömker Systems Engineering 35

28 Zielsuche Situationsanalyse Ablaufdiagramm Materialfluss einer Firma Quelle: H. Krömker Systems Engineering 36

29 Zielsuche Situationsanalyse Beispiel: technisches Ersatzschaltbild MP3-Player Quelle: H. Krömker Systems Engineering 37

30 Zielsuche Situationsanalyse Vorgehen: Vom Groben zum Detail Quelle: Daenzer, Krömker Systems Engineering 38

31 Zielsuche Situationsanalyse Vorgehen: Einengen des Betrachtungsfeldes Quelle: Daenzer, Krömker Systems Engineering 39

32 Zielsuche Situationsanalyse Input-Output-Matrix - Materialfluss in einer Firma Quelle: H. Krömker / Daenzer, Huber Systems Engineering 40

33 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 Systems Engineering 41

34 Zielsuche Situationsanalyse Flussdiagramm flow chart Hier: Geschäftsprozess mit Vorgängen und Dokumenten Quelle: orghandbuch.de, BMI Systems Engineering 42

35 Zielsuche Situationsanalyse Zustandsautomat Verhalten mit Zuständen und -übergängen Automatenmodelle und -theorie Ggf. Zerlegung oder kommunizierende Automaten Quelle: Rumpe Systems Engineering 43

36 Zielsuche Situationsanalyse Ereignisgesteuerte Prozesskette (EPK) Geschäftsprozesse BPM Quelle: Krallmann Systems Engineering 44

37 Zielsuche Situationsanalyse Ablauf als Aktivitätsdiagramm UML Hierarchische Verfeinerung Systems Engineering 45

38 Zielsuche Situationsanalyse Petri-Netz Grafische Beschreibung von Nebenläufigkeit und Synchronisation Prozess1 erzeugen ablegen FreiePufferplätze N PufferplätzeMitDaten verarbeiten Prozess2 abholen Systems Engineering 46

39 Zielsuche Situationsanalyse Netzplantechnik Vorgänger / Nachfolger Zeitplanung Quelle: TEIA Systems Engineering 47

40 Zielsuche Situationsanalyse Entscheidungstabellen Regelbasierte Beschreibung Bedingungen Aktionen Reduktionsregeln Quelle: orghandbuch.de, BMI Systems Engineering 48

41 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 Systems Engineering 49

42 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 Systems Engineering 50

43 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 Systems Engineering 51

44 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 Systems Engineering 52

45 Zielsuche Zielformulierung Qualitätsmanagement Qualität ist die Gesamtheit von Eigenschaften und Merkmalen eines Produktes oder einer Tätigkeit, die sich auf deren Eignung zur Erfüllung gegebener Erfordernisse bezieht. DIN Qualität planen, spezifizieren, dokumentieren, steuern, überprüfen und verbessern Verfahren wie ISO 9000 Qualitätsmessung: valide, präzise und objektive Abbildung unterschiedlicher Qualitäten auf Skalen Systems Engineering 53

46 Zielsuche Zielformulierung Qualitätsplanung Ziele konkurrieren miteinander! Teufelsquadrat Daher Wertung nötig (vglbar. Kostenfkt. bei Optimierung) Quelle: Daenzer Systems Engineering 55

47 Zielsuche Zielformulierung Qualitätsmodell nach McCall Quelle: Krömker / Glinz Systems Engineering 56

48 Zielsuche Zielformulierung Qualitätsmodell für Wartbarkeit Aufgliederung bis hin zu messbaren Zielwerten LCOM = Lack of Cohesion in Methods WMC = Weighted Methods per Class LOC = Lines of Code CBO = Coupling between Objects Quelle: Krömker / softwarekompetenz.de Systems Engineering 57

49 Zielsuche Zielformulierung Lastenheft Beschreibt nach DIN 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 Systems Engineering 58

50 Zielsuche Zielformulierung Lastenheft Gliederung 1. Zielbestimmung 2. Produkteinsatz 3. Produktübersicht 4. Produktfunktion 5. Produktdaten 6. Produktleistungen 7. Qualitätsanforderungen 8. Ergänzungen Quelle: Krömker Systems Engineering 59

51 Zielsuche Zielformulierung Pflichtenheft Auch Fachfeinkonzept enthält nach DIN 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 Systems Engineering 60

52 Zielsuche Zielformulierung Pflichtenheft Gliederung Zielbestimmung Produkteinsatz Produktübersicht Produktfunktionen Produktdaten Produktleistungen Qualitätsanforderungen Benutzeroberfläche Funktionale Anforderungen Technische Produktumgebung Anforderungen an die Entwicklungsumgebung Gliederung in Teilprodukte Quelle: Krömker Systems Engineering 61

53 Inhalt Systemgestaltung Vorgehen Ablauf, Vorgehensmodelle, Prinzipien Zielsuche Situationsanalyse, Zielformulierung, Anforderungen Lösungssuche Ideen entwickeln, Konzept überprüfen Auswahl Modellieren, Bewerten, Entscheiden Systems Engineering 62

54 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 Systems Engineering 63

55 Lösungssuche Techniken zur Lösungssuche Kreativitätstechniken Brainstorming: Beschränkter Teilnehmerkreis, Visualisierung der Ideen, Moderation, beschränkte Kritik Kärtchentechnik Ähnlichkeitsanalysen: Vergleich mit fachfremden Systemen, die gewünschte Eigenschaften haben Ideen bevorzugen, die möglichst wenig einschränken Konzepte modular aufbauen Schnittstellen einfach halten Systems Engineering 64

56 Lösungssuche Synthese von Lösungen Kreativitätstechniken Intuitives Vorgehen Brainstorming Kärtchen-Technik Methode 635 Verknüpfendes Vorgehen Synektik Analogie-Methode (Bionik) Kombinatorisches Vorgehen Morphologie Attribute Listing Weiterentwicklungen, Anpassungen Quelle: Krömker, Daenzer Systems Engineering 65

57 Lösungssuche Variantenbildung Ausgangspunkt: zu jedem Problem gibt es mehrere Möglichkeiten der Lösung Ziel: umfassender Überblick über Lösungsmöglichkeiten Überprüfung auf Wirkungen, Voraussetzungen und Konsequenzen Entscheidung für die erfolgversprechendste Variante Effekt Vorhandenes Verbesserungspotential aufzeigen Anregung zur Verfolgung anderer Ansätze Vermittlung von Vertrauen in die Güte der gefundenen Lösung Nach Krömker Systems Engineering 66

58 Lösungssuche Stufenweise Variantenbildung Quelle: H. Krömker / Daenzer, Huber Systems Engineering 67

59 Lösungssuche Analyse von Lösungen Zuverlässigkeits-Analyse Sicherheits-Analyse Katastrophen-Analyse Akzeptanz-Analyse Risiko-Analyse Vorgehen Mathematische Methoden, Simulation Plausibilitäts-Test Systems Engineering 68

60 Inhalt Systemgestaltung Vorgehen Ablauf, Vorgehensmodelle, Prinzipien Zielsuche Situationsanalyse, Zielformulierung, Anforderungen Lösungssuche Ideen entwickeln, Konzept überprüfen Auswahl Modellieren, Bewerten, Entscheiden Systems Engineering 69

61 Auswahl Bewertung Vergleich tauglicher Varianten Ermittlung der besten Variante Bewertungskriterien: Festlegung anhand der Soll- und Wunschziele Ziel: Erforschen des Wirkungsbereichs Entscheidung und Auswahl Auswahl der weiter zu bearbeitenden Lösungsvariante Ziel: Ergebnis, Lösung des Problems nach Krömker Systems Engineering 70

62 Auswahl Ablauf Bewertung Quelle: Krömker Systems Engineering 71

63 Auswahl Bewertungstechniken Ganzheitliche Bewertung - Argumentenbilanz - Rangordnungsverfahren - Singulärer Vergleich Analytische Bewertung - Paarweiser Vergleich - Bewertungsmatrix - Nutzwertanalyse - Kosten-Wirksamkeits-Analyse - Wirtschaftlichkeits- und Investitionsrechnung Quelle: Krömker Systems Engineering 72

64 Auswahl Bewertungsmatrix Technik zur Bewertung verschiedener Lösungsvarianten Berücksichtigung sehr unterschiedlicher Teilziele bzw. Kriterien bei der Beurteilung dieser Varianten n Bewertungsnoten (0-10), g Gewichtung ZE Ziele Varianten Gewicht Σ = 100 Wohnung 1 Wohnung 2 Wohnung 3 n g*n n g*n n g*n Umgebung (g 1 ) Größe (g 2 ) Freunde (g 3 ) Miete (g 4 ) Gesamtzielerfüllung ZE ZE Quelle: Krömker Systems Engineering 73

65 Auswahl Nutzwertanalayse Quelle: Krömker Systems Engineering 74

66 Auswahl Verlauf von Nutzenfunktionen Bestimmung der Bewertungen im Bereich Bewertung Quelle: Krömker, Daenzer Systems Engineering 75

67 Auswahl Kosten-Wirksamkeits-Analyse I 1. Schritt Wirksamkeitskriterien (siehe Nutzwertanalyse) Wirksamkeitskriterien W1 Kapazität W2 Bedienungskomfort W3 Servicefreundlichkeit W4 Umweltverträglichkeit Gewicht (g) Variante 1 n g*n Variante 2 n g*n Variante 3 n g*n Wirksamkeitskennzahl W Schritt Kostenkriterien Kostenkriterien Variante 1 Variante 2 Variante 3 K1 Personalkosten K2 Abschreibung / Verzinsung K3 Energie und Unterhalt Gesamtkosten K (in Tausend) Quelle: Krömker Systems Engineering 77

68 Auswahl Kosten-Wirksamkeits-Analyse II 3. Schritt Kosten-Wirksamkeits-Rechnung Varianten Variante 1 Variante 2 Variante 3 Gesamtkosten K Wirksamkeitskennzahl W Kosten pro Wirksamkeitspunkt (K:W) Quelle: Krömker Systems Engineering 78

69 Auswahl Grafischer Vergleich Quelle: Daenzer Systems Engineering 79

70 Auswahl Wirtschaftlichkeitsrechnung Erwartete Geldzu- und -abflüsse werden für alle Lösungen berechnet Auch für Finanzplanung sinnvoll Auf bestimmten Zeitpunkt bezogen (Jetzt oder Projektende) Davor und danach liegende Zahlungen müssen aufoder abgezinst werden Bestimmung des kalkulatorischen Zinssatzes wichtig Systems Engineering 80

71 Auswahl Einzelne Bewertungsverfahren Sensitivitäts-Analyse Entscheidungsbaum Spieltheorie Lineare Optimierung Probleme und Methoden des Operations Research Systems Engineering 81

72 Auswahl Vorhersagemodelle Trendanalyse, Extrapolation Exponentielle Glättung ARIMA-Modelle Künstliche neuronale Netze Verhaltensmodelle mit aktuellem Zustand und Voraussimulation Markov-Ketten, Warteschlangensysteme, Petri-Netze Umgang mit aktuellen Daten und unsicheren Informationen (unvollständig, verrauscht)? Statistik-Werkzeuge Systems Engineering 82

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