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 16.2.2011 bei der Technischen Universität Mün chen eingereicht und durch die Fakultät für Informatik am 06.07.2011 ange nommen.
Entwicklung Inhaltsverzeichnis: Kurzbeschreibung Abstract 1. Einleitung 1 1.1 Ziele bzw. Problemstellung der Arbeit 3 1.2 Beitrag der Arbeit 4 1.3 Verwandte Arbeiten 4 1.4 Gliederung der Arbeit 6 2. Definition grundlegender Begrifflichkeiten 9 2.1 Modellbasierte SW-Entwicklung 9 2.1.1 Abstraktionsebenen 9 2.1.2 Begriffserklärung Modell 10 2.1.3 Anforderungen an einen modellbasierten Entwicklungsprozess 10 2.1.4 Steckbrief der modellbasierten SW- Entwicklung 11 2.1.5 Referenzprozess modellbasierte SW-Entwicklung 12 2.2 Definition klassische SW-Entwicklung 12 2.3 Definition Wirtschaftlichkeit 13 2.3.1 Festlegung des Begriffs SW-Qualität 13 2.3.2 Festlegung des Begriffs Kosten 16 2.3.3 Festlegung des Begriffs Zeit 16 3. Einführung in die klassische SW-Entwicklung und in den Status quo der modellbasierten SW-Entwicklung in der Praxis und der Forschung 19 3.1 Anforderungsanalyse auf Softwareebene 19 3.1.1 Textuelle Erfassung 20 3.1.2 SysML 20 3.1.3 Modellbasierte Anforderungsanalyse aus Forschungssicht 22 3.2 Architekturerstellung 3.2.1 Unterschied in dem Formalisierungsgrad der Architekturbeschreibungen 24 3.2.2 Methodik zur Architekturerstellung 25 3.3 Softwaredesign 29 3.3.1 Klassische Vorgehensweise 29 3.3.2 Modellbasierte Vorgehensweise 3.4 Implementierung 3.4.1 Klassische Vorgehensweise 3.4.2 Modellbasierte Vorgehensweise 30 3.5 Testen 3i 3.5.1 Testprozess 3.5.2 Testfallerstellung 3.5.3 Testmöglichkeiten in der klassischen SW-Entwicklung 34-3.5.4 Testmöglichkeiten in der modellbasierten SW 3.6 Entwicklung auf Systemebene 3.6.1 Erfassen der Systemanforderungen v 23 29 30 30 31 32 34 3.6.2 Erstellung der Systemarchitektur 38 3.7 Fehlerstrommodelle als Teil der Qualitätssicherung 40 3.8 Wartung eingebetteter Softwaresysteme im Automobil 41 3.9 Prozessredesign 38 38 42 xi
4. Analyse der Veränderungen in punkto Wirtschaftlichkeit durch den Einsatz von modellbasierter Softwareentwicklung 45 4.1 Anforderungsanalyse 46 4.1.1 Frontloadingaktivitäten in der Anforderungsanalyse ohne Modellverwendung... 48 4.1.2 Analyse der Unterschiede im Prozess und resultierender Mehrwert durch formale Modellierung 49 4.1.3 Wirtschaftlichkeitsanalyse 54 4.1.4 Risikofaktoren einer modellbasierten Anforderungsmodellierung 57 4.1.5 Zusammenfassung 58 4.2 Architekturerstellung 60 4.2.1 Frontloadingmöglichkeiten in der Architekturerstellung bei Benutzung informaler Architekturmodelle 60 4.2.2 Analyse der Unterschiede im Prozess und resultierender Mehrwert durch formale Modellierung und den neuen Architekturkonzepten 61 4.2.3 Wirtschaftlichkeitsanalyse 65 4.2.4 Risikofaktoren einer modeübasierten Architekturentwicklung 69 4.2.5 Zusammenfassung 69 4.3 SW-Design 70 4.3.1 Frontloadingaktivitäten ohne den Einsatz von formalen Modellen 71 4.3.2 Analyse der Unterschiede im Prozess und resultierender Mehrwert durch formale Modellierung 72 4.3.3 Wirtschaftlichkeitsanalyse 75 4.3.4 Risikofaktoren einer formalen Modellbildung 78 4.3.5 Zusammenfassung 78 4.4 Implementierung 79 4.4.1 Frontloadingaktivitäten 79 4.4.2 Analyse der Unterschiede im Prozess 79 4.4.3 Wirtschaftlichkeitsanalyse 82 4.4.4 Risikofaktoren einer automatischen Codegenerierung 84 4.4.5 Zusammenfassung 85 4.5 Testen 85 4.5.1 Verbesserungen im Testen ohne die Verwendung von Modellen in der Testfallerstellung 86 4.5.2 Analyse der Unterschiede im Prozess und resultierender Mehrwert durch formale Modellierung 86 4.5.3 Wirtschaftlichkeitsanalyse 88 4.5.4 Risikofaktoren modellbasiertes Testen 91 4.5.5 Zusammenfassung 92 4.6 Modellbasierte Entwicklung auf Systemebene 92 4.6.1 Modellierung der Systemanforderungen 92 4.6.2 Modellierung der Systemarchitektur 93 4.7 Prozessübergreifende Veränderungen in der Wirtschaftlichkeit 93 4.7.1 Prozessumstellungskosten 93 4.7.2 Veränderung in der Produktqualität 94 4.7.3 Veränderung in den Wartungskosten 95 4.8 Auswirkungen des Einsatzes der modellbasierten Entwicklung auf die Beziehung OEM- Zulieferer 96
4.9 Zusammenfassung der Ergebnisse der Analyse 97 4.9.1 Erwartete Kostenveränderung auf Basis der aufgestellten Theorie 100 4.9.2 Erwartete Zeitveränderung auf Basis der aufgestellten Theorie 101 4.9.3 Erwartete Qualitätsveränderung auf Basis der aufgestellten Theorie 102 4.9.4 Synthese der erwarteten Ergebnisse 4.10 Datenqualitätssicherung zur Stärkung der Aussagekraft der Wirtschaftlichkeitsanalysel04 5. Fallstudiendurchführung 107 5.1 Allgemeine Vorgehensweise zur Fallstudiendurchführung 107 5.2 Durchzuführende Schritte bei der Erstellung einer Fallstudie 108 5.2.1 Fallstudienvorbereitung 108 5.2.2 Durchführen der Fallstudien 110 5.2.3 Bedrohung der Aussagekraft der Fallstudie (Threads to Validity) 111 5.3 Zusammenfassung der Ergebnisse der Fallstudien 111 5.3.1 Kategorisierung der Funktionen 111 5.3.2 Erfahrungen und Einschätzungen der Fallstudienteilnehmer über die modellbasierte Softwareentwicklung 112 5.3.3 Betrachtete Teilaspekte entlang des Entwicklungsprozesses 122 5.3.4 Aussagen zur Wirtschaftlichkeit der modellbasierten SW-Entwicklung anhand der Fallstudiengespräche 126 5.3.5 Abgleich der Fallstudienergebnisse mit der Theorie 128 5.4 Schlüsse, Empfehlungen und Implikationen basierend auf den Ergebnissen der Fallstudien 128 5.4.1 Auswirkungen einer modellbasierten Entwicklung auf nachfolgende Entwicklungsschritte entlang des V-Modells 128 5.4.2 Leitfaden hin zu einer effizienten modellbasierten Entwicklung 132 5.5 Hypothesenbildung zur Wirtschaftlichkeit der modellbasierten SW-Entwicklung im Automobil 133 5.5.1 Hypothesen mit Aussagen zur modellbasierten Softwareentwicklung in der Gesamtsicht 133 5.5.2 Hypothesen zum Zusammenspiel OEM-Zulieferer 135 5.5.3 Hypothesen entlang des Softwareentwicklungsprozesses 135 5.5.4 Operationalisierung der Hypothesen 138 6. Kostenmodellerstellung 141 6.1 Kostenmodelle in der Softwareentwicklung 6.1.1 Bekannte Kostenmodelle der Softwareentwicklung 141 6.1.2 Leitfaden zur Aufstellung der Kostenmodelle und Einordnung in die gewählte Vorgehensweise 144 6.2 Vier Sichten auf die Wirtschaftlichkeit der modellbasierten Softwareentwicklung mittels verschiedener Kostenmodelle 145 6.3 Das qualitative Kostenmodell 146 6.3.1 Stufe 1: Modellbasierung SW-Design und Implementierung 147 6.3.2 Stufe 2: Modellbasierung SW-Design bis einschließlich Test 149 6.3.3.Stufe 3: Modellbasierung Architektur bis einschließlich Test 150 6.3.4 Stufe 4: Variante durchgängige Modellbasierung 152 6.4 Das analytische Modell mit Kostenstrukturen 155 6.4.1 Analyse verschiedener Methoden zur Kostenmodellerstellung 156 6.4.2 Formeln des analytischen Modells mit Kostenstrukturen 162 103 141
6.5.2 Beschreibung des mathematischen Verfahrens zur Berechnung der Koeffizienten 167 Einsatz Analyse 6.5 Das Kostenmodell mit Studiendaten 165 6.5.1 Formeln des Kostenmodells mit Studiendaten 165 6.5.3 Praktische Umsetzung der Logik des Kostenmodells 168 6.5.4 Aufbau und Erstellung des Kostenmodells in Excel 169 6.6 Das theoretische Kostenmodell 169 7. Ergebnisse der globalen Studie 173 7.1 Vorgehensweise und Methodik der Studie 173 7.1.1 Erstellung des Fragebogens 7.1.2 Vorgehensweise Studienbefragung 174 7.1.3 Allgemeingültigkeit der Studienergebnisse (Threads to validity) 175 7.1.4 Gewählte Methodik zur Auswertung der gesammelten Daten 176 7.1.5 Aufbau der Studie 177 7.1.6 Legende der dargestellten Abbildungen 177-7.2 Ergebnis der Studie - 7.3 Ergebnis der Studie 7.3.1 Anforderungsanalyse 174 der modellbasierten Softwareentwicklung 177 pro Entwicklungsphase 182 7.3.2 Architekturerstellung 193 7.3.3 Softwaredesign 200 7.3.4 Implementierung 211 7.3.5 Testen 218 7.4 Veränderungen von Kosten, Zeit und Qualität in der Gesamtsicht 225 7.5 Potential der modellbasierten SW-Entwicklung 232 7.5.1 Potential modellbasierte Anforderungsanaiyse 233 7.5.2 Potential modellbasierte Architekturerstellung 234 7.5.3 Kosten- und Qualitätsverbesserungspotentiale der modellbasierten Entwicklung entlang aller Entwicklungsphasen 236 7.6 Analyse der Datenqualität 238 7.7 Zusammenfassung der wesentlichen Aussagen der Studie und Handlungsempfehlungen für Unternehmen 240 7.7.1 Wesentliche Ergebnisse der Studie 240 7.7.2 Handlungsempfehlungen 243 8. Zusammenfassung aller Ergebnisse zu einer Gesamtsicht 247 8.1 Ergebnis Kostenmodell mit Studiendaten 247 8.1.1 Darstellung und Interpretation der berechneten Koeffizienten 247 8.1.2 Vergleich der berechneten Koeffizienten mit Aussagen im theoretischen Kostenmodell 252 8.2 Falsifizierung der aufgestellten Hypothesen 253 8.2.1 Monte-Carlo Simulation 253 8.2.2 Ergebnis der Falsifizierung der Hypothesen 254 8.3 Validierung des Kostenmodells bei einem Automobilhersteller 259 8.3.1 Durchführung einer Plausibilitätsanalyse 259 8.3.2 Ergebnisse der Validierung 261 8.4 Ergebnis der Expertengespräche bezüglich des qualitativen Kostenmodells 261 8.4.1 Stufel: SW-Design und Implementierung 262 8.4.2 Stufe 3: Variante Architekturentwicklung bis Testen 264 187 xiv
8.5 Detaillierte Analyse der Ergebnisse aus den separaten Untersuchungen der Arbeit. 267 8.6. Erstellung einer Gesamtaussage 270 8.6.1 Blick auf die Gesamtsicht 271 8.6.2 Aussagekraft der gesammelten Daten in den separaten Untersuchungen 274 9. Zusammenfassung und Ausblick 275 9.1 Kritische Sichtweise der Ergebnisse 276 9.2 Ausblick Potentiale der modellbasierten Entwicklung 277 9.3 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