Modellbasierte Spezifikation von Schnittstellen im Projekt NeuPro Rail Automation 2010

Modellbasierte Spezifikation von Schnittstellen im Projekt NeuPro Rail Automation 2010 Dipl.-Ing. Oliver Lemke

Gliederung Einleitung und NeuPro-Hintergrund SysML-Modellierung von Schnittstellenspezifikationen Erstellung der Spezifikationsdokumente mit DOORS

NeuPro Das Projekt Neuausrichtung der Produktionssteuerung umfasst ca. 20 Einzelvorhaben insbesondere mit den Zielen: - Reduzierung der Investitionskosten für LST-Systeme - Senkung der Lebenszykluskosten der LST Dabei sollen Erkenntnisse aus dem Projekt DAFA genutzt werden. Berner und Mattner ist an mehreren Teilprojekten beteiligt: - Aufbereitung (Atomisierung) bestehender Richtlinien und Überführung in DOORS (gem. Stufe 1 DAFA-Projekt) - Erstellung eines durchgängigen SysML-Modellrahmenwerks für das Gesamtsystem NeuPro-LST (gem. Stufe 2 DAFA-Projekt) - Erstellung von Anforderungsspezifikationen für Schnittstellen zwischen LST-Komponenten mit Diagrammen aus dem Modell

LST-Spezifikation Spezifikation im NeuPro-Spannungsfeld Funktionalität Entschlackung Integration neuer Funktionen Verschieben von Funktionen LST Wirtschaftliche Ziele Kostenreduktion Reduzierung von Markteintrittshürden Offenlegung von Schnittstellen Einfachere Zusicherung und Zulassung Folgen Mehr und tiefergehende Spezifikation erforderlich Hohe Spezifikations-Effektivität erforderlich Viele Verantwortliche sind zu berücksichtigen

Spezifikationsprinzipien Die klassische, textbasierte Spezifikation ist problematisch - Weil sie nicht eindeutig ist - Weil sie bei komplexen Systemen kaum noch überschaubar ist - Weil sie nicht automatisiert auf Konsistenz prüfbar ist Für die Schnittstellenspezifikation in NeuPro wurde daher beschlossen, durch modellbasierte Ansätze die Spezifikationsqualität zu verbessern Verwendet wird die Systems Modeling Language (SysML) Zum Einsatz kommen Artisan Studio als SysML-Werkzeug und IBM Doors als Werkzeug zum Anforderungsmanagement.

Modellierungsprinzipien Die Modellierung für die Schnittstellen basiert auf einer funktionalen Systemsicht Die strukturellen Elemente (z.b. SysML-Blöcke) repräsentieren daher logische Knoten, ohne Aussage über die interne physische/technische Realisierung An den Rändern dieser Knoten werden jedoch exakte technische Vorgaben gemacht, so dass die Interoperabilität der Systeme sichergestellt ist Die Modellierung orientiert sich an einem Systems-of-Systems (SoS)- Ansatz gemäß den Konzepten aus dem Projekt DAFA Der Fokus des Modells liegt auf den neu zu entwickelnden NeuPro- Komponenten, wenn nötig werden aber auch Alttechnik-Komponenten abgebildet (LZB, ältere Streckenblock-Bauformen, etc )

Prinzipielle Schnittstellenarchitektur Applikationsteil A BTP Systemgrenze Applikationsteil B Safety-Layer STA-Protokoll Safety-Layer UDP/IP-Stack (an Netzwerk PoS) UDP/IP UDP/IP-Stack (an Netzwerk PoS) Konzeptionelle Kommunikation Technische Kommunikation

Rahmenmodell der LST-Architektur OL1 Übergeordnetes Architekturmodell zur Definition der LST-Struktur Definiert die Schnittstellen innerhalb des LST-Systems

Folie 10 OL1 Evtl. neue Folie einbauen Oliver Lemke; 28.05.2010

Elemente der Schnittstellenspezifikation bdd [Package] NeuPro-ESTW [Logischer Systemkontext] / «block» «Betrieblicher Block» ESTW (Betrieblich) Geschwindigkeitsverarbeitung in Betrieb 1..* fk lst Fachkraft LST nachbar-estw * 1..* 1 «block» estw «Logischer Block» «System» 1 1 «Fremdsystem» 1..* 1..* lzb estw NeuPro-ESTW (C2/4) özf «block» «Logischer Block» operations «Fremdsystem» testop_estw () özf LZB 1..* 1..* estw estw * büsa 1 etcs «block» «Logischer Block» «block» «System» «Fremdsystem» «Fremdsystem» «Logischer Block» NeuPro-BÜSA (C2/4) «System» NeuPro-ETCS (C2/4) RBC Fahrerlaubnis «kontinuierlicher... erteilen Weichen en überwachen ETCS-Zugfahrt Level 2 «include» «include» Stellanstöße kommandieren «kontinuierlicher... Fahrwegelemente überwachen «include» «include» «kontinuierlicher... Signale überwachen ESTW-Logik Strukt tur Funktionen Schnittstellen- Spezifikation Verhal lten Interaktion Stellanstoß Grundzustand / Meldung Signal ist in Fahrt hell/ / Grundzustand DA-Rücknahme erforderlich do : DA anfordern :NeuPro-ESTW-Logik / Zug hat FA -Verlängerung angefordert/ DA anfordern / Zug hat Level 2 verlassen/ Meldung Signal ist in Fahrt hell/ Meldung Signal ist dunkel/ RBC hat Vorbeifahrt an Signal erkannt / Zug hat Mode FS verlassen/ / Schalte Ein auf Dauer Schalte Ein auf Dauer : BÜFM neue V-Vorgabe erhalten do : Geschwindigkeitsvorgabe verarbeiten DA gesendet E nt ry / :NeuPro-BÜSA (C2/4) schalte Ein BÜ sichere BÜ

Kontextdarstellung der Schnittstellen Schnittstelle SoS-Systemgrenze CENELEC-Systemgrenze Logische Funktionseinheiten

Systemfunktionen an der Schnittstelle RBC (Design) «Fremdsystem» Triebfahrzeug ETCS L2 «kontinuierlicher Anwendungsfall» «Systemanwendungsfall» Fahrerlaubnis an Fahrzeug erteilen «Fremdsystem» NeuPro-ESTW -Logik Aufgliederung der Use-Cases in Systemfunktionen durch Aktivitätsdiagramme «Systemanwendungsfall» Aufstarten Aufstarten «Systemanwendungsfall» Herunterfahren «Systemfunktion» : Kommunikationsverbindung zu ESTW aufbauen Use-Case-Diagramme als Übersicht über die angebotenen Dienstleistungen des Systems «Interruptible Region» «kontinuierliche Aktivität» «Systemfunktion» : Zustandsmeldung Fahrwegelemente verarbeiten «Systemfunktion» : Aufstartzyklus mit ESTW durchführen

Verhaltensspezifikation an der Schnittstelle Zustandsautomat Komponente A Ereignis: (ESTW-Logik) Meldung Weiche rechts überwacht Zustandsautomat Komponente A Ereignis: (ESTW-Logik) Meldung Weiche nicht überwacht

Kommunikationsszenarien an der Schnittstelle Symbolische Komponentengrenze Zustandsinvariante Nachrichten, die die Zustandsautomaten austauschen Sequenzdiagramme sind momentan nur informell als Ergänzung der Zustandsautomaten vorgesehen, da noch keine automatisierte Konsistenzprüfung (entsprechend Stufe 3 DAFA) realisiert ist.

Technische Konkretisierung des konzeptionellen Modells Allgemeine Telegrammstruktur Spezifikation von Bitmasken Ereignis im konzeptionellen Modell

Erstellung der Spezifikationsdokumente Die einzelnen Lastenhefte werden in DOORS erstellt und verwaltet Innerhalb eines DOORS-Moduls erfolgt eine Gliederung entsprechend klassischer Lastenhefte An die entsprechenden Stellen der DOORS-Module werden modellbasierten Diagramme aus Artisan eingefügt Ein Baselining-Konzept ermöglicht eine nachvollziehbare Versionierung und Änderungsverfolgung. Als Endprodukt kann aus dem DOORS- Modul ein PDF oder Word-Dokument erzeugt werden

Strukturierung der Spezifikationsdokumente Dokument/Dokumententeil Zweck CENELEC- Phase SysML- Diagrammarten Funktionale Anforderungsspezifikation (FAS) Technische Anforderungsspezifikation (TAS) Technische Ausführungsvorschrift (TAV) Definition der über die Schnittstelle verbundenen Funktionalität Konkrete Verhaltensspezifikation der schnittstellenrelevanten Funktionalität links und rechts der Schnittstelle und Darstellung der Kommunikationsszenarien Einschränkung des Realisierungsspielraums durch exakte technische Ausführungsvorgaben, z.b. Telegrammdefinitionen, Nutzung der Safety-Schicht 2/4 Use-Case- Diagramme, Block- Diagramme, interne Block-Diagramme 4 Zustandsdiagramme, Sequenzdiagramme, Blockdiagramme 4++ (Block-Diagramme)

Spezifikation in DOORS mit Diagrammen aus Artisan Strukturierung der Anforderungen in DOORS Analyse und Design der Anforderungen in SysML Hybrid-Ansatz Doors & SysML

Nutzen des NeuPro-Ansatzes Nutzen des NeuPro-Ansatzes zur Behebung der Mängel textbasierter Spezifikationen: Sie ist nicht eindeutig Die modellbasierten Bestandteile sind per se eindeutig und wichtiger Teil der Spezifikation Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Sie ist bei komplexen Systemen nicht überschaubar Das durchgängige, übergreifende Fragen? Modell ermöglicht eine konsistente Übersicht über die Gesamtarchitektur Die Gliederung der einzelnen DOORS-Module sichert die Verständlichkeit auf Lastenheft-Ebene Die Dokumentenstruktur/Lastenheftlandkarte visualisiert Beziehungen zwischen den Lastenheften Sie ist nicht auf automatisiert auf Konsistenz prüfbar Die Modellierungswerkzeuge erzwingen implizit ein konsistentes Arbeiten Entsprechende Prüfskripte ermöglichen tiefergehende Einhaltung von Modellierungsregeln