SYSTEMENTWURF. Einführung. Vorlesung im Wintersemester 2012/13 FG System- und Software-Engineering Prof. Dr.-Ing. Armin Zimmermann

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1 SYSTEMENTWURF Einführung Vorlesung im Wintersemester 2012/13 FG System- und Software-Engineering Prof. Dr.-Ing. Armin Zimmermann

2 Inhalt Vorstellung Ablauf, Organisatorisches Überblick Systementwurf Themen der Lehrveranstaltung und Übung Literaturhinweise Einführung 2

3 Vorstellung Vorlesung: Prof. Armin Zimmermann Mail: Telefon: (03677) Zuse-Gebäude Raum Z 2054 Übung: Christoph Bodenstein Mail: Christoph.Bodenstein@tu-ilmenau.de Telefon: (03677) Zuse-Gebäude Raum Z 2062 Einführung 3

4 Organisation Anrechenbarkeit Bachelor Informatik Wahlpflicht, empfohlen im 5. Semester Zusammen mit dem danach belegbaren Projektseminar Systementwurf als Modul "System-Engineering" anrechenbar Bachelor Ingenieurinformatik Wahlpflicht, Studienschwerpunkt IHS Empfohlen im 5. Semester Diplom Informatik: Wahlpflicht Diplom Ingenieurinformatik: Pflicht empfohlen im 6. Semester Einführung 4

5 Organisation Umfang 3 SWS (2VL + 1Ü), 4 LP, Benotet Bewertung Mündliche Prüfung 20 Minuten Nach abgeschlossener Veranstaltung, in den ersten Wochen des Sommersemesters Einführung 5

6 Organisation Organisation Vorlesung, betreute Rechnerübungen, selbständige Arbeit Aktuelle Informationen, Folien, Zeitplan usw. Folien: Einloggen auf Webseite mit Uni-Account Termine Vorlesungen Mi 11:00-12:30 im Z4004 Übungen Do (G) 17:00-18:30 im Z4004 Start 18. Oktober Einführung 6

7 Übungsaufgaben Arbeit in Gruppen 2 Studierende pro Gruppe ausreichend Rechner Ausgabe und Erklärung, Bearbeitung und Abgabe in der Übung; teilweise zusätzliche selbständige Arbeit Aufgaben Zufallsvariablen, Verteilungen (später in der VL) Aufgaben mit Werkzeug MLDesigner: Finite State Machine Continuous Time Domain Modell Discrete Event Domain Modell Einführung 7

8 Inhalt Vorstellung Ablauf, Organisatorisches Überblick Systementwurf Themen der Lehrveranstaltung und Übung Literaturhinweise Einführung 8

9 System-Engineering Was ist ein System? A purposeful collection of inter-related components working together towards some common objective. (Sommerville) Strukturiertes Gebilde aus Elementen oder Teilsystemen und Beziehungen zwischen diesen sowie zur Umwelt (Zehnder Informatik-Projektentwicklung ) Komponenten Software, Mechanik, elektrische und elektronische Hardware, Menschen, Informationen, externe Services Abhängig voneinander Eigenschaften und Verhalten des Gesamtsystems ergeben sich aus komplexem Zusammenspiel der Komponenten Einführung 9

10 System-Engineering Arten von Systemen Systems Natural Manmade Technical Non Technical Aircraft Car Emphasis on Technical systems Economic system Societal systems Bild: M. R. Shankar Einführung 10

11 System-Engineering Komplexität, Aufbau, Hierarchie Bild: Somerville Einführung 11

12 System-Engineering Was ist Systems Engineering? Designing, implementing, deploying and operating systems which include hardware, software and people (Sommerville) Interdisziplinäre Herangehensweise zur erfolgreichen Realisierung von technischen Systemen Umfasst Tätigkeiten wie Modellieren, Analysieren, Bewerten, Entscheiden, Dokumentieren, Testen usw. Quantitative Einflüsse: Vergleich und Optimierung nichtfunktionaler Eigenschaften, Modelle verschiedener Ingenieursdisziplinen und Naturwissenschaften Ingenieurs-Disziplin Einführung 12

13 System-Engineering War System-Engineering früher nötig? Wright Brothers: Designed, Built and Flew the world s first powered, controlled, heavier-than-air flight Bild: Shankar Einführung 13

14 System-Engineering Ist System-Engineering (heute) nötig? Einführung 14

15 System-Engineering Ist System-Engineering nötig? The A380 design team knew they were in trouble when the wiring inside the aircraft started to look like a set from the movie Aliens. Einführung 15

16 System-Engineering Einsatz von CAD-Systemen Überschaubar für einzelne Systeme aber nicht mehr verständlich für das Gesamtsystem Einführung 16

17 System-Engineering Probleme Technische Komplexität erzwingt Systems Engineering Multidisziplinärer Ansatz Systeme werden heterogener, Fächer und Wissen einzelner aber spezieller! Koordinations- und Verständnisschwierigkeiten Große Systeme lösen immer umfangreichere Probleme (Satellitensystem, LKW-Maut, ) Unüberschaubare Anzahl an Entwurfs-Alternativen und trade-offs zwischen Möglichkeiten Lange Lebensdauer in veränderlicher Umwelt Einführung 17

18 System-Engineering Probleme durch Komponentenaufbau Systemeigenschaften, die sich erst aus Kombination der Teilsysteme und ihrer Zusammenhänge ergeben Erst messbar, wenn alle Teile fertiggestellt und integriert wurden (sehr spät: hohe Änderungskosten) Kein Problem: Gesamtgewicht Problematisch: Zuverlässigkeit Zuverlässigkeit der Komponenten Abhängigkeiten zwischen ihnen Sehr problematisch: Benutzbarkeit (usability) Abhängig von Hard- und Software des Gesamtsystems sowie subjektiven Einstellungen der Benutzer Lokale vs. globale Optimierung Einführung 18

19 System-Engineering Was bringt System-Engineering? Systematische Herangehensweise, Nutzung von Erfahrungswissen in wenig strukturiertem Problemfeld Bessere Steuerung der Systementwicklung unter Berücksichtigung von Risiken, Veränderungen und Konfigurationen Verfolgbarkeit von Entscheidungen Analyse und Bewertung von Effektivität und Effizienz Endprodukt ist mit größerer Wahrscheinlichkeit korrekt und erfüllt nichtfunktionale Anforderungen unter Einhaltung des Kosten- und Zeitrahmens. Einführung 19

20 Anwendungsgebiete Beispielsysteme Verkehr, Fertigung, Kommunikation, Logistik, Fahrzeugtechnik, Unterhaltungselektronik,... Eingebettete und Echtzeitsysteme Einführung 20

21 Entwicklungsprozess geplantes System Prototyp Test, Messung Neue Version nein Ziele erfüllt? Anforderungen ja System Einführung 21

22 Modellbasierte Entwicklung geplantes System Modell ersetzt Prototyp Bewertung Modell ändern nein Ziele erfüllt? ja Anforderungen Leistungsmaße System realisieren Einführung 22

23 Modellierung Modellierungsmethoden Graphentheoretische Modelle (deterministisch) Warteschlangenmodelle Stochastische Prozesse Simulationssprachen Speziell bei Zuverlässigkeitsuntersuchungen: Blockdiagramme Fehlerbäume Erweiterung von Spezifikationsmethoden um Zeit: zeiterweiterte Petri-Netze Prozess-Algebren MSC, Statecharts Einführung 23

24 Einsatz von Modellen Anforderungsdefinition Funktionales Verhalten (Echt)zeitanforderungen Zuverlässigkeitsanforderungen, Fehlertoleranz Entwurf Funktionales Modell zum Nachweis logischer Eigenschaften, z.b. Steuerung Temporales Modell zur Analyse des (Echt)zeitverhaltens Wahrscheinlichkeitstheoretisches Modell zur Analyse der Zuverlässigkeitseigenschaften Dokumentation, Informationsaustausch, Prototyp, Visualisierung, Alternativen-Auswahl, Optimierung Einführung 24

25 Anwendungsbeispiele Avionik Airbus-Drittmittelprojekte u.a. zur Architekturoptimierung Automotive Embedded Systems Modellbasierter Architekturentwurf, Funktionsverteilung, Codegenerierung; AUTOSAR Einführung 25

26 Inhalt Vorstellung Ablauf, Organisatorisches Überblick Systementwurf Themen der Lehrveranstaltung und Übung Literaturhinweise Einführung 26

27 Themen Systems Engineering Überblick Vorgehen Einführung 27

28 Themen Stochastische Grundlagen Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Verteilung von Zufallsvariablen Momente Quantile Bestimmung von Verteilungen f(x) Fläche = 0.95 Fläche = 0.05 x 0.95 x Einführung 28

29 Themen Stochastische Diskrete Ereignissysteme Modellarten Stochastische Automaten Stochastische Prozesse 1 i 1,2 i 0 i 2 i Einführung 29

30 Themen Softwarewerkzeug MLDesigner Modellarten und Domänen Modellelemente Benutzung Aufgaben Einführung 30

31 Themen Simulation Idee und Algorithmus Zufallszahlen Schätzung von Parametern Beschleunigung von Simulationsverfahren #p t Einführung 31

32 Themen Leistungsbewertung Anwendungen Probleme, Hinweise für Studien Leistungsmaße Design Space Indirekte Optimierung Einführung 32

33 Inhalt Vorstellung Ablauf, Organisatorisches Überblick Systementwurf Themen der Lehrveranstaltung und Übung Literaturhinweise Einführung 34

34 Literatur Systems Engineering and Analysis Blanchard, Fabrycky; Prentice Hall 2006 Modelle, Methoden Einführung 35

35 Literatur Modelle, Simulation The Art of Computer System Performance Analysis Raj Jain; Wiley Quantitative Bewertung durch Modellierung, Untersuchung, Messung und Simulation; nur QN INF ST 160 Simulation Modeling and Analysis Law, Kelton; McGraw-Hill 2000 (3rd edition). Simulationsverfahren Lehrbuchsammlung Einführung 36

36 Literatur Design of dependable computing systems Geffroy, Motet; Springer 2002 Übersicht Fehlertoleranz Stochastic Discrete Event Systems Zimmermann, Springer 2007 Stochastische Diskrete Ereignissysteme Einführung 37

37 Einfüh rung - 38 Viel Spaß und Erfolg! Quantitative Systemmodellierung und Analyse Einführung 38