Michael Maletz. Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung. Schriftenreihe VPE Band 4. Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner

Transkript

1 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner Michael Maletz Integrated Requirements Modeling A Contribution towards the Integration of Requirements into a Holistic Product Lifecycle Management Strategy Schriftenreihe VPE Band 4 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner

2 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über dnb.ddb.de abrufbar. Bibliographic information published by Die Deutsche Bibliothek Die Deutsche Bibliothek lists this publication in the Deutsche Nationalbibliografie; detailed bibliographic data is available in the Internet at Herausgeber: Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner Postfach 3049 Technische Universität Kaiserslautern, Gebäude 44 D Kaiserslautern Verlag: Technische Universität Kaiserslautern Druck: Technische Universität Kaiserslautern ZBT Abteilung Foto-Repro-Druck D-386 Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Kaiserslautern 2008 Alle Rechte vorbehalten, auch das des auszugsweisen Nachdrucks, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe (Photographie, Mikroskopie), der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und das der Übersetzung. Als Manuskript gedruckt. Printed in Germany. ISBN ISSN

3 Integrated Requirements Modeling A Contribution towards the Integration of Requirements into a Holistic Product Lifecycle Management Strategy Department of Mechanical and Process Engineering of the University of Kaiserslautern Approved Dissertation to obtain the Title Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) Submitted by Dipl.-Ing. Michael Maletz Graz, Austria Chairman of Examination: Prof. Dr.-Ing. Christian Schindler 1. Rapporteur: Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner 2. Rapporteur: Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Hermann Steffan Examination Date: August 25 th, 2008 Graz 2008 D-386

4 Dedicated to Erin, Zoe & Nils

5 Acknowledgement This research evolved during my time at The Virtual Vehicle Competence Center (VIF) in Graz, Austria. The VIF was initiated and funded by the Federal Ministry of Transport, Innovation and Technology (BMVIT) - Austria; funded by FFG, Land Steiermark and Steirische Wirtschaftsfrderung (SFG). For his input and supervision of this research, I would like to thank my doctoral adviser, Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner from the University of Kaiserslautern (Germany). His suggestions and support, as well as many critical discussions, provided invaluable guidance throughout the course of my dissertation project. Special thanks is also due to my second doctoral adviser, Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Hermann Steffan from Graz University of Technology (Austria), who took the time to provide additional guidance and support, and to Prof. Dr.-Ing. Christian Schindler (also from the University of Kaiserslautern), who served as chairman of the examination board. For offering the technological basis this research is embedded in, I would like to thank Mecanica Solutions Inc. from Montreal, Canada especially Dan Brisson (Director of Reseach and Development) and Jean-Guy Blouin. I would also like to thank my working colleagues Hubert Schnedl, Markus Zoier, Peter Reichenpfader, Wolfgang Trummer, Johannes Fritz, Dr. Ligea Crista, Bita Rahmani, and Günther Fabian. Special thanks goes to my immediate co-workers Andrea Denger and Manfred Rosenberger. Their valuable input, critical questioning and technical support especially for the development of the demonstrator and verification of the concept was an essential part of this research. For the support of the development of the data model I would like to thank Konstantin Mondelos. Thanks also goes to my former working colleagues Dipl.-Ing. Dr.techn. Klaus Zamazal for many interesting and fruitfull discussions and Dr.-Ing. Ralf Lossack who inflamed my research interest on the topic of requirements modeling. Last but not least I would like to thank my family, especially my wife Erin for her support and motivation throughout my entire work on this research, as well as for the proof reading of the thesis. v

6 Preamble The work and research results described in this thesis are primarily based on the two industrial research projects A3v11 openmpm (open Manufacturing Process Management), and A3v20 L.I.S.A (Lifecycle Intelligence Solution and Applications) within the research institute The Virtual Vehical Competence Center. The primary software industry partner Mecanica Solution Inc., and several other industrial partners, such as AVL LIST GMBH, AUDI AG, Siemens Transportation Systems GmbH & Co KG, Engineerin Center Steyr GmbH & Co KG, and MAGNA STEYR Fahrzeugtechnik AG & Co KG completed the project consortium. Within those two international multi-year research projects, methodical concepts and processes were developed in close collaboration with industrial partners. Mecanica Solutions Inc. is the trademark and intelectual property holder, as well as the official software provider, of the Product Lifecycle Management and Collaboration Platform PLM360 TM where the concepts elaborated in these joint research projects are embedded. Furthermore, the two research projects i 2 P 2 integriertes und interdisziplinäres Produkt- und Prozessmodell in der frühen Phase der Produktentwicklung, and COMET Holistic Cross-Domain Cooperation for Mechatronic Product Development brought valuable input to this research. The i 2 P 2 project consortium included VPE (Department of Virtual Product Development - University of Kaiserslautern), IMI (Institute for Information Management in Engineering - University of Karlsruhe), ProStep ILC, simotion and the Virtual Vehicle. This project was partly funded by AiF. The COMET project was initiated by the Virtual Vehicle. The project consortium included PDTec AG, Dr. Steffan Datentechnik Ges.m.b.H, and the Virtual Vehicle. It was partly funded by FFG Austria and stood in close reconcilement with the German research project MIKADO ( which was initiated by IPK Fraunhofer. vii

7 Abstract Multidisciplinary and holistic integration in today s heterogeneous PLM environment is crucial in all development phases. Among others it is seen as the key factor for successful product development within a cross domain and enterprise, as well as a complex supply chain network. This research describes and discusses a new approach for the integration of different development disciplines, lifecycle stages and IT systems, including associated information, data, and processes along the product creation process. The specific focus is set on the integration of requirements into a holistic product lifecycle management strategy. This is done by putting requirements modeling in the center of attention in a future oriented product development approach. It is discussed what the demands and concepts for integrated product development are. Next to future oriented PLM approaches focusing on integration, other related aspects of product development, such as complexity issues, a function oriented approach, as well as social and cultural aspects are discussed. However, the focus is set on requirements modeling and how to integrate it into PLM. Therefore, what requirements modeling is and what general demands are is described. That includes aspects of scientific and commercial approaches that were analyzed. A generic requirements reference process is developed. How domain integration and semantic enrichment in form of ontologies benefits integrated requirements modeling is discussed. Different integration models and concepts based on requirements were developed. It is shown how those concepts are implemented into a PLM platform. Specific focus is set on product, process, and organizational integration models. A concept for a generic PLM integration and collaboration platform is discussed which contains fundamental components for complex product development. These components include powerful solutions for e.g. requirements-, program-, process management and product structure handling. The interaction of these solutions, especially the interdependencies of processes and shared data based on requirements is discussed in this research. Research results of developed server and client architecture, functionalities, and semantic integration aspects that are out of scope of today s solutions, are explained. The data model and core concepts for the integration platform is shown. The extension of heterogeneous application integration up to the design of knowledge structures through the extended enterprise is outlined. A prototypical realization for an integrated requirements management solution was developed and is used for the proof of the concepts. ix

8 Zusammenfassung Multidisziplinäre und ganzheitliche Integration entlang aller Entwicklungsphasen ist einer der entscheidenden Faktoren in heutigen heterogenen PLM Umgebungen. Sie wird als ein Kernfaktor für erfolgreiche Produktentwicklung in einer Cross-Domain, Cross-Enterprise sowie komplexen Supply Chain gesehen. Diese Forschungsarbeit beschreibt und diskutiert einen neuen Ansatz für die Integration von verschiedenen Entwicklungsdisziplinen, Lebenszyklusphasen und IT- Systemen, inklusive assoziierten Informationen, Daten und Prozessen entlang des gesamten Produktentstehungsprozesses. Der spezifische Fokus setzt auf die Integration von Anforderungen in eine gesamtheitliche Product Lifecycle Management (PLM) Strategie. Diese Integration wird erreicht indem Anforderungen in das Zentrum zukünftiger Produktentwicklungsansätze gestellt werden. Auf Basis des Produktentstehungsprozesses in der Automobilindustrie werden systematische Ansätze, Methoden und Werkzeuge, welche zur Unterstützung der virtuellen Produktentstehung zur Verfügung stehen, erklärt. Es wird auf die Entwicklung der sich ändernden Umstände der Kollaboration und des Entwicklungsvorgehens entlang der Zulieferkette eingegangen. Diese komplexen Kollaborationsszenarien bedürfen neuer Ansätze der verteilten Produktentwicklung welche als Cross Enterprise Engineering zusammengefasst werden. Speziell in frühen Entwicklungsphasen bedarf der Ansatz von Frontloading verstärkter Aufmerksamkeit. All diese Fakten und Herausforderungen zeigen auf, dass sich neue Tendenzen der virtuellen Produktentwicklung abzeichnen. Diese Tendenzen aus Forschung und Industrie sind ein wesentliches Fundament auf welchem diese Arbeit teilweise aufbaut. Es wird diskutiert was die Forderungen und daraus resultierenden Konzepte für integrierte Produktentwicklung sind. Neben zukunftsorientierten, ganzheitlichen PLM Ansätzen wird auch auf andere in Beziehung stehende Gebiete der Produktentwicklung wie z.b. soziale und kulturelle Aspekte eingegangen. Das Potential einer verbesserten Einbindung des Zuliefernetzwerkes wird anhand von zu entwickelnden Referenzprozessen, sowie der tieferen Einbindung von standardisierten Austauschformaten erläutert. Dies bildet die Grundlage für die zu entwickelnden Prozess-, Tool- und methodische Integrationsaspekte von PLM, welche sich in Strategien und Systemen der Zukunft xi

9 xii wiederfinden werden. Für solche Kollaborationsplattformen wird auch ein generisches Konzept vorgestellt, auf welchem die Realisierung beruht. Weiters wird auf Themen, welche sich speziell der Herausforderung von Komplexität widmen, eingegangen. Hier werden verschiedene methodische, mathematische sowie IT-fokussierte Ansätze diskutiert. Beispiele davon sind Design Structure und Domain Mapping Matrix, Graphentheorie, Semantic Web und Ontologie. Der funktionsorientierte Ansatz spielt eine wesentliche Rolle für das Zusammenbringen von unterschiedlichen Entwicklungsdomains. In weiterer Folge wird darauf eingegangen was ausschlaggebende Faktoren für Entscheidungsunterstützung sind und wie auf Basis von Anforderungen eine Entscheidungsunterstützung umgesetzt werden kann. Neben den generellen Aspekten, Forderungen und Ansätzen der virtuellen Produktentwicklung wird im speziellen auf das Thema Anforderungen eingegangen. Dafür wird zuerst der Stand der Technik von Anforderungsmodellierung, sowohl wissenschaftlich als auch industriell, vorgestellt. Daraus werden generelle Forderungen zum Umgang mit Anforderungen abgeleitet. Aus dem Stand der Technik und den zukünftigen Trends die sich abzeichnen, wird auch sehr schnell ersichtlich, woran Anforderungsmodellierung und -management in der heutigen, traditionellen Produktentwicklung scheitert. Das ist der ausschlaggebende Punkt zur Entwicklung von Methoden und Prozessen welche im Detail behandelt werden. Ein wesentlicher Aspekt sind fehlende Ansätze für die Integration von Anforderungen entlang des Produktentwicklungsprozesses methodisch als auch aus Sicht der IT. Darum wurden Forderungen spezifiziert und Ansätze entwickelt, welche eine ganzheitliche Integration von Anforderungen in eine PLM Strategie und daraus resultierenden Systemen erlauben. Dieses Konzept für Integrierte Anforderungsmodellierung beinhaltet z.b. ein Klassifikationsschema für Anforderungen, Ansätze für die semantische Erfassung von Anforderungen, oder Konzepte zur semantischen Anreicherung in Form von Ontologien. Es wird eine Methode vorgestellt, wie natürlichsprachliche Anforderungen IT unterstützt erfasst und verarbeitet werden können. Zum Thema der Integration wird im Speziellen auf Mechatronik und den Interaktionen von verschiedenen beteiligten Entwicklungsdomains (Mechanik, Elektrik und Elektronik sowie Software) eingegangen. Weiters werden entwickelte Anforderungsintegrationsmodelle vorgestellt. Diese Modelle beziehen sich auf Produkt-, Prozess sowie organisatorische Modelle, welche im Detail erläutert werden. Hier geht es vor allem um Themen der Anbindung von Produkt- und Funktionsstrukturen oder von Workflows wie z.b. Änderungs- und Freigabeprozesse. Außerdem werden Wege aufgezeigt wie auf Basis von Anforderungen Projekt- und Ressourcenpläne generiert werden können. Eine semantische Anreicherung wird in Form von Technologien des Semantic Web, speziell von Ontologien gesehen. Mit den Erkenntnissen der entwickelten Methoden wird ein generischer Referenzprozess für das Handhaben von Anforderungen in einem Unternehmen vorgestellt und diskutiert. Die entwickelten Methoden und Prozesse dienen sodann als Basis für das Realisierungskonzept.

10 xiii Ein Konzept für eine generische PLM Integrations- und Kollaborationsplattform, welche fundamentale Komponenten für komplexe Produktentwicklung beinhaltet, wird vorgestellt. Diese Komponenten beinhalten leistungsfähige Lösungen für z.b. Anforderungs-, Programm-, Portfolio- und Prozessmanagement sowie Produktstrukturhandhabung. Die Interaktion dieser Lösungen, im speziellen die Zusammenhänge zwischen Prozessen und Daten basierend auf Anforderungen, wird dargestellt. Forschungsergebnisse von entwickelten Server und Client Architekturen, Funktionalitäten und semantischen Integrationsaspekten, welche nicht im Umfang heutiger Lösungen sind, werden erklärt. Ein disziplinübergreifendes Datenmodell und IT Kernaspekte für die Integrationsplattform werden aufgezeigt. Die Erweiterung von heterogener Applikationsintegration hin zu Wissensstrukturen entlang erweiterten Unternehmen ist umrissen. Die Umsetzung der entwickelten Methoden und Prozesse wurden zuerst in Form eines Demonstrators verfiziert, um in weiterer Folge in die vorgestellte PLM Plattform integriert zu werden. Dazu wurde eine Ontologie entwickelt, welche die wesentliche Aspekte von komplexen Entwicklungszusammenhängen abbildet. Diese dient als Input für den entwickelten Demonstrator und baut auf Daten der Industrie auf. Um die vorgestellten Methoden, Prozesse und Modelle mit dem entwickelten Demonstrator zu verifizieren wurde ein spezieller Verifikationsansatz entwickelt. Mit Hilfe dieses Ansatzes wird auf Basis von verschiedenen Komponenten eines Fahrzeuges der Lebenszyklus dieses, inklusive der beteiligten Disziplinen und der Zulieferkette, durchgespielt. Ergebnisse zeigen bestehende komplexe und multidimensionale Zusammenhänge auf, welche erst durch die entwickelte Methodik für die holistischen Integration von Anforderungsmodellierung in PLM transparent gemacht werden konnten.

11 Table of Contents 1 Introduction Business Environment Initial Situation, Motivation and Goals Benefits of Integrated Requirements Modeling Solution Approach and Organization of Work Discussion of the Scientific Question Definitions and Restrictions Virtual Product Development The Product Development Process The Product Development Process in the Automotive Industry The Problem Solution Cycle The Altering Product Creation Process Distributed Product Development - Cross Enterprise Engineering Froantloading Systematic Approaches VDI 2221: Systematic Design VDI 2206: The V-Model Methods and Tools CAx PDM vs. PLM Quality Function Deployment - QFD Failure Mode and Effective Analysis - FMEA Tendencies xv

12 TABLE OF CONTENTS xvi 3 Requirements Management in the Product Development Process The Requirements Modeling Process State of the Art Fundamentals Requirements Elicitation Requirements Analysis Requirements Management Requirements Verification Common Demands for Requirements Handling Different Views Traceability Analysis Functionalities Scientific Approaches Approach according to Kläger Approach according to Rzehorz Approach according to Langlotz Approach according to Gebauer Approach according to Jörg Approach according to Bachmann Discussion of Scientific Approaches Commercial Approaches Doors Teamcenter Requirements MKS Discussion of Commercial Approaches Future Aspects of Requirements Management Tools Short Term Future Trends Long Term Future Aspects Demands and Approaches towards Integrated Product Development Enhanced and Integrated Development Processes Consideration of Cultural and Social Challenges Supply Chain Integration - Establishment of Standardized Exchange Formats and Reference Processes... 62

13 TABLE OF CONTENTS xvii 4.2 Holistic Product Lifecycle Management Process Oriented Future Aspects Tool and Methodical Future Aspects Future Integration Aspect Generic Concept for a PLM Framework The Function Oriented Approach Enabling Decision Support Requirements meet Simulation Handling Complexity Design Structure Matrix Domain Mapping Matrix Graph Theory - Metagraphs Constraint Solving Semantic Web and Ontology s Demands and Approaches for integrated Requirements Modeling Methodical Approach vs. IT concept Concept for Integrated Requirements Modeling Requirements Classification Schema Requirements Categories Requirements Characteristics Requirements Attributes and Parameters Semantic Requirements Gathering Formalization of Product Requirements Requirements Based Product and Process Model Mechatronic and Domain Integration Integration of Mechanics, Electrics/Electronics and Software Requirements Integration Models Product Integration Model Process Integration Model Organizational Integration Model Semantic Enrichment and Program Ontology Requirements Reference Process...112

14 TABLE OF CONTENTS xviii 6 Realization Concept PLM360 TM Introduction to an Future Oriented PLM Integration Platform The PLM360 TM Concept and Framework Core IT Aspects of PLM360 TM Program Seed Ontology for Integrated Requirements Modeling Application Data Model for Integrated Requirements Modeling Package Diagrams Class Diagrams Demonstrator Approach for Integrated Requirements Modeling Verification Approach Verification Approach Use Cases Bussines Case Design and Manufacturing realted Interdependencies EE realted Interdependencies Summary and Outlook 149