Hilfe – komplexes System!

Mechatronikmodelle - Maschinenbauerzeugnisse sind heute stark geprägt durch die Informationstechnik. Der Trend: Funktionen werden durch das Zusammenwirken mechanischer, elektronischer und soft waretechnischer Komponenten erfüllt. Das Funktionsspektrum technischer Produkte wird erweitert, und die Komplexität nimmt zu.

09. August 2005

Durch das Zusammenwirken der Disziplinen Mechanik, Elektronik sowie Softwaretechnik steigt die Komplexität solcher mechatronischer Systeme gegenüber herkömmlichen Maschinenbauprodukten an, was sich auch im deren Entwicklungsprozess widerspiegelt. Ohne ein geeignetes Vorgehensmodell ist die Entwicklung moderner mechatronischer Produkte weder wirtschaftlich noch zielführend. Aus diesem Grund wird im Rahmen des Verbundprojektes EQUAL das Drei-Ebenen-Vorgehensmodell konzipiert, detailliert und in eine praxisnahe Beschreibung überführt. Das Drei-Ebenen-Vorgehensmodell ist ein unter Qualitätsgesichtspunkten optimiertes Schema für die Entwicklung mechatronischer Systeme. Es berücksichtigt Software, Hardware und Mechanik. Mit dieser definierten Vorgehensweise ist die Grundlage für eine systematische Planung und Entwicklung der Software geschaffen. Dieses Modell wurde in Anlehnung an das V-Modell entwickelt und wird in die drei Ebenen System, Subsystem und Komponenten unterteilt.

Ausgehend von den Anforderungen an das zu entwickelnde Produkt erfolgt auf der Systemebene eine Systemanforderungsanalyse. Im Zuge des daran anschließenden Systementwurfs wird das Produkt erstmals in einem noch abstrakten Plan dargestellt, der vor allem die (Haupt-)Funktionen des Produktes sowie deren Abhängigkeiten untereinander berücksichtigt. Es entsteht somit eine logische Systemarchitektur, bestehend aus einem Funktionsnetzwerk, den Funktionen und der Kommunikation zwischen den Funktionen des gesamten Systems. Auf dieser Basis erfolgt die Partitionierung des Gesamtsystems in Subsysteme. Subsysteme bestehen jeweils aus Funktionsblöcken und stehen miteinander in Verbindung. Sukzessive wird hierbei das System in die mechanischen und informationstechnischen Teilsysteme zerlegt.

Im Rahmen des IT-Entwurfs auf der Subsystem-Ebene erfolgt eine Aufteilung zwischen Hardware und Software. Die unterste Ebene ist die Komponenten-Ebene, bei der die einzelnen Fach-Abteilungen (Software, Elektronik, Mechanik) weitgehend unabhängig voneinander die Produktentwicklung vorantreiben, ohne jedoch auf eine für den Projekterfolg notwendige Synchronisation zu verzichten. Hier können Qualitätssicherungsmaßnahmen unterstützend eingreifen. Ebenso findet man in der Komponenten-Ebene die für SW-Projekte typischen Phasen Anforderungsanalyse, Grob- und Feinentwurf, Implementierung, Integration und Test.

Integration und Test

In jeder Ebene existieren Integrations- und Testphasen. Die horizontalen Pfeile veranschaulichen, dass die Testfälle, die auf dem rechten Ast des Vorgehensmodells zur Anwendung kommen, ihren Ursprung in der Spezifikationsphase der gleichen Ebene haben. Im 3E-Vorgehensmodell werden die Integration und der Integrationstest als jeweils einzelne Phase aufgefasst, da dies in der Praxis aus organisatorischen Gründen sinnvoll ist. Nach dem Test der Software und Hardware erfolgt die IT-Integration und der IT-Integrationstest. Das gleiche Muster ist eine Ebene höher zu finden, wo nach dem IT-Test und Mechanik-Test die Integration und der Integrationstest auf System-Ebene erfolgt. Mit dem erfolgreichen Bestehen des System-Abnahmetests endet das Vorgehensmodell. Das Modell beruht auf einer iterativen, inkrementellen Vorgehensweise. Je mehr Ebenen von einer solchen Iteration betroffen sind, desto höher ist der zeitliche und finanzielle Aufwand der damit verbunden ist. Die frühzeitige Validation von Anforderungen und Verifikation von Zwischenergebnissen nimmt somit eine Schlüsselrolle ein.

Um die Anwendung des Drei-Ebenen-Vorgehensmodells in der Praxis zu vereinfachen, werden Rollen- und Aktivitätsmodelle definiert. Eine Person kann in einem Unternehmen mehrere Rollen einnehmen. Genauso kann eine Rolle mehreren Personen zugeordnet werden. Entscheidend ist, dass bestimmte Rollen nicht von derselben Person besetzt werden. So ist es unzulässig, die Rolle des für die Abnahme verantwortlichen Testers dem zuständigen Entwickler zuzutragen. Einige der Rollen wurden aus dem V-Modell XT übernommen. In einigen Bereichen wurden zusätzliche Rollen in das Rollenmodell integriert, um den Anforderungen an einen mechatronischen Entwicklungsprozess gerecht zu werden. Aktivitäten sind Tätigkeiten, die von einer Rolle zugeordnet werden. Sie können bestimmten Entwicklungsphasen und Rollen zugeordnet werden. Dies ermöglicht wiederum eine eindeutige Zuordnung im Modell.

Rollen- und Aktivitätsmodell vervollständigen das Drei-Ebenen-Vorgehensmodell noch nicht ausreichend. In Unternehmen kommen unterschiedliche Methoden und Werkzeuge zum Einsatz. Mechatronische Systeme vereinen mehrere Teildisziplinen. Deshalb ist die Zahl der anwendbaren Methoden hoch. Um aus Praxissicht den Methodeneinsatz zu vereinfachen, werden die Methoden den entsprechenden Entwicklungsphasen zugeordnet. Ist eine bestimmte Entwicklungsphase in einem Unternehmen nicht notwendig, müssen auch keine Kenntnisse der dazugehörigen Methoden erworben werden. Stehen mehrere Methoden innerhalb einer Entwicklungsphase für die Lösung einer Aufgabenstellung zur Verfügung, muss die am besten geeignete Methode selektiert werden. Der vorgestellte Ansatz dient zur Strukturierung des mechatronischen Entwicklungsprozesses. Das Vorgehensmodell stellt eine Orientierungshilfe für die beteiligten Entwicklungsteams dar und bietet einen Überblick, in welcher Phase sich die Entwicklungsteams befinden. Gleichzeitig werden Abhängigkeiten zwischen Entwicklungsteams erkannt. Das Drei-Ebenen-Vorgehensmodell hat großen Anklang in der Industrie gefunden und wird dort als Instrument zur Orientierung im Entwicklungsprozess eingesetzt sowie zur Koordination von Entwicklungstätigkeiten.

Marc Russ, Benno Stützel und Markus Bechter, itm

Modell EQUAL

Embedded Quality: Methoden zur Unterstützung der entwicklungsbegleitenden Qualitätssicherung von eingebetteter Software. Gefördert mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzeptes ›Produktion 2000‹ bzw. ›Forschung für die Produktion von morgen‹. Betreut vom Projektträger Produktion und Fertigungstechnologien, Forschungszentrum Karlsruhe. Förderkennzeichen 02PP1060. Laufzeit: 1.1.2001 bis 30.9.2004. Im Einzelnen waren folgende Unternehmen im Projektkonsortium zusammengeschlossen: Endress und Hauser, Elau, Inova Computers, Lenze, methodpark, Sick und Validas sowie die assoziierten Partner T-Systems und Wipotek. Auf wissenschaftlicher Seite wurde das Projekt von den Lehrstühlen der Professoren Bender und Broy betreut und koordiniert.

Erschienen in Ausgabe: 05/2005