lung eingebetteter Softwaresysteme im

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1 Technische Universität München Fakultät für Informatik Lehrstuhl für Software & Systems Engineering Kosten und Nutzen modellbasierter Entwick lung eingebetteter Softwaresysteme im Automobil Sascha Kirstan Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Informatik der Technischen Univer sität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigten Dissertation. Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. Alois Knoll Prüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr. Dr. h.c. Manfred Broy 2. Univ.-Prof. Dr. Helmut Krcmar Die Dissertation wurde am bei der Technischen Universität Mün chen eingereicht und durch die Fakultät für Informatik am ange nommen.

2 Entwicklung Inhaltsverzeichnis: Kurzbeschreibung Abstract 1. Einleitung Ziele bzw. Problemstellung der Arbeit Beitrag der Arbeit Verwandte Arbeiten Gliederung der Arbeit 6 2. Definition grundlegender Begrifflichkeiten Modellbasierte SW-Entwicklung Abstraktionsebenen Begriffserklärung Modell Anforderungen an einen modellbasierten Entwicklungsprozess Steckbrief der modellbasierten SW- Entwicklung Referenzprozess modellbasierte SW-Entwicklung Definition klassische SW-Entwicklung Definition Wirtschaftlichkeit Festlegung des Begriffs SW-Qualität Festlegung des Begriffs Kosten Festlegung des Begriffs Zeit Einführung in die klassische SW-Entwicklung und in den Status quo der modellbasierten SW-Entwicklung in der Praxis und der Forschung Anforderungsanalyse auf Softwareebene Textuelle Erfassung SysML Modellbasierte Anforderungsanalyse aus Forschungssicht Architekturerstellung Unterschied in dem Formalisierungsgrad der Architekturbeschreibungen Methodik zur Architekturerstellung Softwaredesign Klassische Vorgehensweise Modellbasierte Vorgehensweise 3.4 Implementierung Klassische Vorgehensweise Modellbasierte Vorgehensweise Testen 3i Testprozess Testfallerstellung Testmöglichkeiten in der klassischen SW-Entwicklung Testmöglichkeiten in der modellbasierten SW 3.6 Entwicklung auf Systemebene Erfassen der Systemanforderungen v Erstellung der Systemarchitektur Fehlerstrommodelle als Teil der Qualitätssicherung Wartung eingebetteter Softwaresysteme im Automobil Prozessredesign xi

3 4. Analyse der Veränderungen in punkto Wirtschaftlichkeit durch den Einsatz von modellbasierter Softwareentwicklung Anforderungsanalyse Frontloadingaktivitäten in der Anforderungsanalyse ohne Modellverwendung Analyse der Unterschiede im Prozess und resultierender Mehrwert durch formale Modellierung Wirtschaftlichkeitsanalyse Risikofaktoren einer modellbasierten Anforderungsmodellierung Zusammenfassung Architekturerstellung Frontloadingmöglichkeiten in der Architekturerstellung bei Benutzung informaler Architekturmodelle Analyse der Unterschiede im Prozess und resultierender Mehrwert durch formale Modellierung und den neuen Architekturkonzepten Wirtschaftlichkeitsanalyse Risikofaktoren einer modeübasierten Architekturentwicklung Zusammenfassung SW-Design Frontloadingaktivitäten ohne den Einsatz von formalen Modellen Analyse der Unterschiede im Prozess und resultierender Mehrwert durch formale Modellierung Wirtschaftlichkeitsanalyse Risikofaktoren einer formalen Modellbildung Zusammenfassung Implementierung Frontloadingaktivitäten Analyse der Unterschiede im Prozess Wirtschaftlichkeitsanalyse Risikofaktoren einer automatischen Codegenerierung Zusammenfassung Testen Verbesserungen im Testen ohne die Verwendung von Modellen in der Testfallerstellung Analyse der Unterschiede im Prozess und resultierender Mehrwert durch formale Modellierung Wirtschaftlichkeitsanalyse Risikofaktoren modellbasiertes Testen Zusammenfassung Modellbasierte Entwicklung auf Systemebene Modellierung der Systemanforderungen Modellierung der Systemarchitektur Prozessübergreifende Veränderungen in der Wirtschaftlichkeit Prozessumstellungskosten Veränderung in der Produktqualität Veränderung in den Wartungskosten Auswirkungen des Einsatzes der modellbasierten Entwicklung auf die Beziehung OEM- Zulieferer 96

4 4.9 Zusammenfassung der Ergebnisse der Analyse Erwartete Kostenveränderung auf Basis der aufgestellten Theorie Erwartete Zeitveränderung auf Basis der aufgestellten Theorie Erwartete Qualitätsveränderung auf Basis der aufgestellten Theorie Synthese der erwarteten Ergebnisse 4.10 Datenqualitätssicherung zur Stärkung der Aussagekraft der Wirtschaftlichkeitsanalysel04 5. Fallstudiendurchführung Allgemeine Vorgehensweise zur Fallstudiendurchführung Durchzuführende Schritte bei der Erstellung einer Fallstudie Fallstudienvorbereitung Durchführen der Fallstudien Bedrohung der Aussagekraft der Fallstudie (Threads to Validity) Zusammenfassung der Ergebnisse der Fallstudien Kategorisierung der Funktionen Erfahrungen und Einschätzungen der Fallstudienteilnehmer über die modellbasierte Softwareentwicklung Betrachtete Teilaspekte entlang des Entwicklungsprozesses Aussagen zur Wirtschaftlichkeit der modellbasierten SW-Entwicklung anhand der Fallstudiengespräche Abgleich der Fallstudienergebnisse mit der Theorie Schlüsse, Empfehlungen und Implikationen basierend auf den Ergebnissen der Fallstudien Auswirkungen einer modellbasierten Entwicklung auf nachfolgende Entwicklungsschritte entlang des V-Modells Leitfaden hin zu einer effizienten modellbasierten Entwicklung Hypothesenbildung zur Wirtschaftlichkeit der modellbasierten SW-Entwicklung im Automobil Hypothesen mit Aussagen zur modellbasierten Softwareentwicklung in der Gesamtsicht Hypothesen zum Zusammenspiel OEM-Zulieferer Hypothesen entlang des Softwareentwicklungsprozesses Operationalisierung der Hypothesen Kostenmodellerstellung Kostenmodelle in der Softwareentwicklung Bekannte Kostenmodelle der Softwareentwicklung Leitfaden zur Aufstellung der Kostenmodelle und Einordnung in die gewählte Vorgehensweise Vier Sichten auf die Wirtschaftlichkeit der modellbasierten Softwareentwicklung mittels verschiedener Kostenmodelle Das qualitative Kostenmodell Stufe 1: Modellbasierung SW-Design und Implementierung Stufe 2: Modellbasierung SW-Design bis einschließlich Test Stufe 3: Modellbasierung Architektur bis einschließlich Test Stufe 4: Variante durchgängige Modellbasierung Das analytische Modell mit Kostenstrukturen Analyse verschiedener Methoden zur Kostenmodellerstellung Formeln des analytischen Modells mit Kostenstrukturen

5 6.5.2 Beschreibung des mathematischen Verfahrens zur Berechnung der Koeffizienten 167 Einsatz Analyse 6.5 Das Kostenmodell mit Studiendaten Formeln des Kostenmodells mit Studiendaten Praktische Umsetzung der Logik des Kostenmodells Aufbau und Erstellung des Kostenmodells in Excel Das theoretische Kostenmodell Ergebnisse der globalen Studie Vorgehensweise und Methodik der Studie Erstellung des Fragebogens Vorgehensweise Studienbefragung Allgemeingültigkeit der Studienergebnisse (Threads to validity) Gewählte Methodik zur Auswertung der gesammelten Daten Aufbau der Studie Legende der dargestellten Abbildungen Ergebnis der Studie Ergebnis der Studie Anforderungsanalyse 174 der modellbasierten Softwareentwicklung 177 pro Entwicklungsphase Architekturerstellung Softwaredesign Implementierung Testen Veränderungen von Kosten, Zeit und Qualität in der Gesamtsicht Potential der modellbasierten SW-Entwicklung Potential modellbasierte Anforderungsanaiyse Potential modellbasierte Architekturerstellung Kosten- und Qualitätsverbesserungspotentiale der modellbasierten Entwicklung entlang aller Entwicklungsphasen Analyse der Datenqualität Zusammenfassung der wesentlichen Aussagen der Studie und Handlungsempfehlungen für Unternehmen Wesentliche Ergebnisse der Studie Handlungsempfehlungen Zusammenfassung aller Ergebnisse zu einer Gesamtsicht Ergebnis Kostenmodell mit Studiendaten Darstellung und Interpretation der berechneten Koeffizienten Vergleich der berechneten Koeffizienten mit Aussagen im theoretischen Kostenmodell Falsifizierung der aufgestellten Hypothesen Monte-Carlo Simulation Ergebnis der Falsifizierung der Hypothesen Validierung des Kostenmodells bei einem Automobilhersteller Durchführung einer Plausibilitätsanalyse Ergebnisse der Validierung Ergebnis der Expertengespräche bezüglich des qualitativen Kostenmodells Stufel: SW-Design und Implementierung Stufe 3: Variante Architekturentwicklung bis Testen xiv

6 8.5 Detaillierte Analyse der Ergebnisse aus den separaten Untersuchungen der Arbeit Erstellung einer Gesamtaussage Blick auf die Gesamtsicht Aussagekraft der gesammelten Daten in den separaten Untersuchungen Zusammenfassung und Ausblick Kritische Sichtweise der Ergebnisse Ausblick Potentiale der modellbasierten Entwicklung Weiterer Untersuchungsbedarf bzw. offene Forschungsfragen 278 Anhang AI. Glossar ausgewählter Begrifflichkeiten A2. Prozesshandbuch xv A3. Modellbasierte Anforderungsmodelle xli A4. Analyse der Datenqualität der Studiendaten xliii A5. Ergebnisse der Plausibilitätsanalyse lix Literaturverzeichnis xv