Prozessgestaltung für Bahnanwendungen nach CENELEC ideal und real

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1 Braunschweiger Verkehrskolloqium des ZVB Forschungsflughafen Braunschweig Prozessgestaltung für Bahnanwendungen nach CENELEC ideal und real Dipl.-Ing. Ralf Westerkamp GmbH Telefon:

2 Agenda Kurzporträt Ursprung der CENELEC-Normen EN ff. Was fordert die EN 50128? Warum läuft nicht jedes (SW-) Entwicklungsprojekt wie im idealen Prozess beschrieben? Herausforderung Anforderungsmanagement Fazit Diskussion 2

3 Gründung Juni 1997 in Braunschweig Geschäftsbereiche Raumfahrttechnik Software Engineering Verifizierung und Validierung von Software und Systemen Geschäftsräume im IAM in Braunschweig

4 Bereich Verifizierung & Validierung Dienstleistungen im Entwicklungsund Zulassungsprozess Anforderungen Architektur Systemebene/ Subsystemebene Validierung Integration Verifizierung und Validierung sicherheitsrelevanter Software und Systeme Anforderungen Architektur Entwurf Komponentenebene Software/Hardware Modultest Validierung Integration Prozessgestaltung im Rahmen der anzuwendenden Normen, z. B. EN ff. (CENELEC), RTCA/DO-178B, IEC Implementierung Modulebene Erstellung der Dokumente im SW- Entwicklungsprozess (SVVP, SQAP, Testlisten, Validierungsberichte, etc.) zur Genehmigung von Systemen bei den Zulassungsstellen (FAA, EBA, KBA) 4

5 CENELEC-Normen (für Bahnanwendungen) Comité Européen de Normalisation Electrotechnique (European Committee for Electrotechnical Standardization) EN 50126: Railway Applications - the specification and demonstration of Reliability, Availability, Maintainability and Safety. EN 50127: Railway Applications - Guide to the specification of a guided transport system EN 50128: Railway Applications - Software for railway control and protection systems. EN 50129: Railway Applications - Safety related electronic systems for signalling. 5

6 Übersicht Normen Bahnanlage Gesamtsystem Signaltechnik Subsystem HW-/SW- Komponente EN (Kommunikationssysteme) EN (Software) EN (system and hardware aspects) EN (Entwicklungsprozess / RAMS) EN Bahnanwendungen - Spezifikation und Nachweis der Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Instandhaltbarkeit, Sicherheit (RAMS) EN Bahnanwendungen - Software für Eisenbahnsteuerungs- und Überwachungssysteme EN Bahnanwendungen - Sicherheitsrelevante elektronische Systeme für Signaltechnik EN /2 Bahnanwendungen Sicherheitsrelevante Kommunikation in geschlossenen/offenen Übertragungssystemen 6

7 Regelungsbedarf... Signaltechnik in Europa Quelle: FEmSys 2001 Ziel: Aufbau eines europäischen Hochgeschwindigkeits-Bahnnetzes European Train Control System (ETCS) internationale Anerkennung der Zulassungen 7

8 Entstehung / Ursprung der Normen DIN EN ISO 9001: DIN EN ISO 9000: DIN V DIN V DIN VDE Basis für DIN V VDE 0801 DIN VDE 0831 Mü 8004 IEC 65A(Sec) 122 IEC 65A(Sec) 123 RTCA/DO-160C RTCA/DO-178A RTCA/DO-... IEC EN EN EN EN RTCA/DO-160D RTCA/DO-178B RTCA/DO-254 RTCA/DO-... Bahnanwendungen Luftfahrt 8

9 Tailoring der IEC Ziele des Tailoring Anwendbarkeit auf den Entwicklungsprozess verbessern Anforderungen konkretisieren, Interpretationsspielraum reduzieren Skalierbarkeit der Aufwände nach Projektgröße und anforderungen Bereichsspezifische Ausprägungen berücksichtigen verwendete Nomenklatur Spektrum der Anwendungen vorherige (evtl. nationale) Regelungen Bereichsspezifisches Tailoring der IEC Die IEC als übergeordnete Norm für sicherheitsbezogene Systeme wird im geografischen Bereich der CENELEC-Mitgliedsländer bezüglich der Bahntechnik untersetzt und präzisiert durch die Normen EN 50126, EN und EN Analoge Entwicklung im Automotivebereich findet zur Zeit statt 9

10 Der Weg zur Auto-Norm DIN EN ISO 9001: DIN EN ISO 9000: DIN V DIN V DIN VDE Basis für DIN V VDE 0801 DIN VDE 0831 Mü 8004 IEC 65A(Sec) 122 IEC 65A(Sec) 123 RTCA/DO-160C RTCA/DO-178A RTCA/DO-... IEC EN EN EN EN RTCA/DO-160D RTCA/DO-178B RTCA/DO-254 RTCA/DO-... Bahnanwendungen ROAD xxxx Luftfahrt Automotive 10

11 (SW-) Entwicklungsprozess EN 50128: Fehlerfreiheit kann nicht allein durch nachträgliche Tests hergestellt und nachgewiesen werden. Während des gesamten Entwicklungszyklus sind der Sicherheitsanforderungsstufe angemessene Prinzipien und Methoden anzuwenden. Dazu gehören u. a. Top-Down-Entwurfsverfahren Modularität Verifikation jeder Phase auditierbare Dokumente Validierungstests Prozessmodell zur Integration von Software-Engineeringund Management-Techniken 11

12 IEC EN Anforderungen IEC (Anhang) Anforderungen EN (Anhang) SIL Anzahl HR 80 R 60 P SIL M HR R P 12

13 EN Anforderungen der EN Anzahl NR M HR R P SIL 13

14 Analyse EN Faktische Gruppierung in Sicherheitsanforderungsstufen SIL 0 / 1-2 / 3-4 Große Zahl von Anforderungen an den Entwicklungsprozess bleibt erhalten Mehr als 2/3 der Anforderungen sind verpflichtend (M), viele davon formaler Art (Dokumentation) Norm lässt (weiterhin benötigten) Spielraum für sektorund produktspezifisches Tailoring Herausforderung für den Entwicklungsbetrieb Umsetzung im Entwicklungsbetrieb sinnvoll mittels eigenem detailliertem Prozess (Tools, Templates,...) in kleineren Einheiten Synergieeffekte mit QM (möglich) 14

15 Problemfelder im Entwicklungsprozess? Anforderungen Architektur Systemebene/ Subsystemebene Validierung Integration Anforderungen Architektur Komponentenebene Software/Hardware Validierung Integration Entwurf Modultest Implementierung Modulebene 15

16 Symptom Anforderungsprozess Untersuchung der Probleme im Anforderungsprozess bei deutschen Unternehmen [Fraunhofer Institut für Experimentelles Software Engineering, 2004] Rollenbewusstsein hoch Ergebnisse IESE: gering Geringes Rollenbewusstsein Trotzdem recht gutes Prozess-, Dokumentations- und Aktivitätsbewusstsein (?) Geringer Einsatz von Anforderungsmanagementtools Viele Probleme bzgl. Management (Aufwandsschätzung, Änderungen) mittel 16

17 Rollen In der Regel besetzte Rollen im Entwicklungsprozess einer sicherheitskritischen Anwendung (ohne kfm. Bereich) Projektleiter Entwickler (Design, Integration, HW/SW) Sicherheitsbeauftragter (Safety Manager) RAM-Manager, evtl. RAM(S)HE-Manager QMB (für das Projekt) Konfigurationsmanagement-Beauftragter Verifizierer Validierer Gutachter Was fehlt? Was verbindet diese Rollen im Prozess? 17

18 Requirements Management & Engineering Def. Requirements Engineering Umwandlung der Lösungsvision (Kundendokumente, Lastenheft) in (initiale) Anforderungen Vervollständigung, Optimierung, Abnahme Strukturierte Darstellung Pflichtenheft Def. Requirements Management Strukturierte Verwaltung (Ebenen, Views,...) Traceability (Anf. untereinander, zu Lösungen, Tests, etc.) Change Management 18

19 Requirements Management & Engineering Def. Requirements Engineering Umwandlung der Lösungsvision (Kundendokumente, Lastenheft) in (initiale) Anforderungen Vervollständigung, Optimierung, Abnahme Strukturierte Darstellung Pflichtenheft Def. Requirements Management Strukturierte Verwaltung (Ebenen, Views,...) Traceability (Anf. untereinander, zu Lösungen, Tests, etc.) Change Management 19

20 Requirements Engineering als Herausforderung Bedeutung für gesamten Entwicklungsprozess im Prinzip klar auch in CMMI und SPICE hinterlegt Ist Anforderungsmanagement mit der richtigen Priorisierung bedacht? Nachweisbare Qualität = Funktion von Qualität der Anforderungen und Qualität der Testfälle 20

21 Anforderungsverfolgung vertikale Verfolgung von der Definitionsstelle über die Referenzstellen zu den Realisierungsstellen horizontale Verfolgung von der Definitionsstelle über die Testfalldefinitionen zur Validierung (Testergebnisse) Anforderungsmanagement Nomenklaturregeln, -anwendung (in der Dokumentation) Toolunterstützung möglich/sinnvoll Zusammenwirkung mit dem Konfigurationsmanagement 21

22 Requirements Engineering als Herausforderung Bedeutung für gesamten Entwicklungsprozess im Prinzip klar ABER: Verantwortlichkeit häufig diffus, keiner konkreten Rolle zugeteilt lästige Zusatzaufgabe Toolunterstützung nicht angeboten oder von Prozessbeteiligten verweigert Rolle des Managements Lücke zwischen Idealvorstellung und Realität besonders deutlich erscheint unüberbrückbar demotivierend Termindruck als Vorwand für wichtigere Aktivitäten... 22

23 Eigenschaften von Anforderungen nach Lehrbuch atomar eindeutig identifiziert konsistent korrekt nachweisbar passend Priorität zugewiesen realisierbar redundanzfrei Sich.-anf.-stufe zugewiesen Stabilität bewertet unzweideutig, unmissverständlich verfolgbar verständlich vollständig... atomic uniquely identified consistent correct verifiable relevant priority assigned feasible redundance-free SIL assigned stability evaluated unambiguous traceable comprehensible complete... 23

24 Stufen zum Erfolg Anforderungen schrittweise verbessern atomar eindeutig identifiziert nachweisbar verständlich redundanzfrei realisierbar unzweideutig, unmissverständlich passend korrekt abgeleitet widerspruchsfrei vollständig verfolgbar zur Quelle Priorität zugewiesen Sich.-anf.-stufe zugewiesen Stabilität bewertet Validierungshinweise 24

25 Req. Eng.: Wissenschaft und Kunst Checklisten sinnvoll Scope definieren: Schnittstellen, Stakeholder, Rollen,... Struktur: Vorgaben, Tools,... Anforderungen definieren:... Reviewprozess: wer? wann? Freigabe Anforderungen erheben ist eine Kunst (Elicitation = Herauslocken) Vielseitigkeit Erfassung der Kundenwünsche, -anforderungen, -... Analyse Spezifizierung Verifikation und Validierung (ggf. via Modellierung) 25

26 Fazit Herausforderungen bei der Umsetzung der CENELEC-Norm(en) Prozessgestaltung im Entwicklungsbetrieb von Wiederholung profitieren kompetentes Auftreten gegenüber AG oder GUT klare Anforderung an Zulieferer Anforderungsmanagement erreichbare Ziele (in Schritten) vorgeben Wertigkeit höher einstufen und danach handeln Unterstützung des Managements 26

27 Fragen / Diskussion Normen Der ideale Prozess Die Realität Wie können wir die Schnittmenge vergrößern? 27