Modellbasierte Formalisierung von Anforderungen für eingebettete Systeme im Automotive-Bereich

Inhaltsverzeichnis

Teil I: Einführung

1. Motivation und Zielsetzung

1.1 Bedeutung der Anforderungen

1.2 Herausforderungen für die Dokumentation von Anforderungen

1.3 Zielsetzung und Nutzen der Arbeit

1.4 Aufbau der Arbeit

2. Grundlagen

2.1 Requirements Engineering

2.2 Modellbasierung

2.3 Formalisierung

2.4 Eingebettete Systeme im Automotive Bereich

2.4.1 Eingebettete Systeme

2.4.2 Automotive-Spezifika

3. Wissenschaftliche Vorgehensweise und Fallstudie

3.1 Vorarbeiten

3.2 Wissenschaftliche Vorgehensweise und Validierungsansatz

3.3 Fallstudien

3.3.1 Abstandsgeregelter Tempomat (ACC)

3.3.2 Türsteuergerät (TSG)

Teil II: Formalisierungskonzept

4. Auswahl der zu formalisierenden Anforderungen

4.1 Notwendigkeit einer formalisierungsspezifischen Klassifizierung

4.2 Kriterien für eine formalisierungsspezifische Klassifizierung

4.2.1 Durchgängigkeit zur Klassifikation im Design

4.2.2 Durchgängigkeit zur Klassifikation der Elicitation

4.2.3 Spezifische Eignung für die Formalisierung

4.3 Definition der formalisierungsspezifischen Klassifizierung

4.3.1 Prozessanforderung

4.3.2 Geschäftsanforderung

4.3.3 Nutzeranforderung

4.3.4 Systemanforderung

4.4 Konsequenzen dieser Klassifikation

4.4.1 Verzahnung von Anforderungsmanagement und Design

4.4.2 Atomarisierung von Anforderungen

4.4.3 Seiteneffekte einer Klassifikation

4.5 Auswahl der Klasse der funktionalen Nutzeranforderungen

5. Formale Definition des zugrundeliegenden Modells

5.1 Bedeutung des Modells für die Formalisierung

5.2 Informelle Beschreibung des Modells

5.2.1 Unterscheidung in Nutzer- und Systemsicht

5.2.2 Die Nutzersicht

5.2.2.1 Ereignisse, Aktivitäten, Zustände

5.2.2.2 Parameter und Variablen

5.2.2.3 Reaktionsverhalten, Situationsverhalten und Invarianten

5.2.3 Systemsicht und Übergang zum Designmodell

5.3 Formale Definition des Modells

5.3.1 Zeit

5.3.2 Variablen

5.3.3 Zustände

5.3.4 Zustandsraum

5.3.5 Ereignisse

5.3.6 Zustandsübergänge

5.3.7 Aktivitäten und ihre Parameter

5.4 Aussagen auf dem formalen Modell

5.4.1 Reaktionsverhalten

5.4.2 Situationsverhalten

5.4.3 Invarianten

5.5 Zusammenfassung des formalen Modells

6. Definition einer geeigneten Darstellungsform

6.1 Qualitätskriterien für die Darstellung von Anforderungen

6.2 Dimensionen der verwendeten Darstellungsform

6.3 Darstellung der Anforderungsbestandteile

6.3.1 Darstellung von Ereignissen und Zuständen

6.3.1.1 Verwaltung/Strukturierung von Ereignissen und Zuständen

6.3.1.2 Formatierung und Formulierung von Ereignissen und Zuständen

6.3.2 Darstellung von Aktivitäten und ihren Parametern

6.3.2.1 Verwaltung/Strukturierung von Aktivitäten und Parametern

6.3.2.2 Formulierung und Formatierung von Aktivitäten und Parametern

6.3.3 Darstellung von Variablen

6.4 Darstellung der Anforderungen

6.4.1 Schlüsselworte

6.4.2 Darstellung von Reaktionsverhalten

6.4.3 Darstellung von Situationsverhalten

6.4.4 Darstellung von Invarianten

6.5 Strukturierung von Anforderungen

6.5.1 Darstellung einzelner Dienste

6.5.2 Darstellung der Diensthierarchie

6.6 Mächtigkeit der Sprache

6.7 Zusammenfassung

Teil III: Formalisierungsmethodik

7. Klassifikation

7.1 Kurzbeschreibung

7.2 Datenelemente

7.2.1 Informelle Anforderung

7.2.2 Klassifizierte Anforderung

7.2.3 Prozessanforderung

7.2.4 Geschäftsanforderung

7.2.5 Nutzeranforderung

7.2.6 Systemanforderung

7.3 Aktivitäten

7.3.1 Anforderungen aus der Elicitation übernehmen

7.3.2 Anforderung klassifizieren

7.3.3 Anforderung atomarisieren

7.3.4 Anforderung filtern

7.3.5 Formalisierungsziel festlegen

7.4 Demonstration und Diskussion anhand der Fallstudie

7.5 Zusammenfassung

7.6 Steckbrief „Klassifikation“

8. Formulierung

8.1 Kurzbeschreibung

8.2 Datenelemente

8.2.1 Logische Aktion

8.2.1.1 Ereignis

8.2.1.2 Zustand

8.2.1.3 Zustandsraum

8.2.1.4 Aktivität

8.2.1.5 Variable

8.2.1.6 Parameter

8.2.2 Katalog logischer Aktionen

8.2.3 Anforderungsmuster

8.2.3.1 Systemreaktion

8.2.3.2 Systemveränderung

8.2.3.3 Ereignisabhängiges Verbot

8.2.3.4 Situationsverhalten

8.2.3.5 Situationseinschränkung

8.2.3.6 Ereignisunabhängiges Verbot

8.2.3.7 Invariante

8.3 Aktivitäten

8.3.1 Extraktion der logischen Aktionen

8.3.2 Anwendung der Anforderungsmuster

8.4 Demonstration und Diskussion anhand der Fallstudie

8.4.1 Ausgangssituation

8.4.2 Demonstration des gesamten Ablaufs im Überblick

8.4.3 Extraktion von logischen Aktionen im Detail

8.4.4 Anwendung der Anforderungsmuster im Detail

8.5 Zusammenfassung

8.6 Steckbrief „Formulierung“

9. Strukturierung

9.1 Kurzbeschreibung

9.2 Datenelemente

9.2.1 Dienst

9.2.2 Diensttabelle

9.2.3 Lastenheft

9.3 Aktivitäten

9.3.1 Diensttabelle erstellen

9.3.2 Anforderungen den Diensten zuordnen

9.3.3 Dienste analysieren

9.3.4 Lastenheft generieren

9.4 Demonstration und Diskussion anhand der Fallstudie

9.5 Zusammenfassung

9.6 Steckbrief „Strukturierung“

10. Übergabe ans Design

10.1 Referenzmodell für das modellbasierte Design

10.2 Datenelemente

10.2.1 Design.Aktion

10.2.2 Design.Dienst

10.2.3 Design.Invariante

10.3 Übersetzung der Anforderungs- in Designelemente

10.3.1 Übersetzen von logischen Aktionen

10.3.2 Übersetzen von Verhaltensanforderungen

10.3.3 Übersetzen von Invarianten

10.4 Rückkopplung vom Design ins Anforderungsmanagement

10.5 Aktivitäten

10.5.1 Logische Aktionen und Invarianten ans Design übergeben

10.5.2 Anforderung ans Design übergeben

10.6 Zusammenfassung

10.7 Steckbrief „Übergabe ans Design“

Teil IV: Einbettung in den Entwicklungsprozess

11. Datenmodell

11.1 Datenmodell der Formalisierung

11.2 Einordnung in das Referenz-Datenmodell

12. Aktivitätenmodell

12.1 Aktivitätenmodell der Formalisierung

12.2 Einordnung in das Referenz-Aktivitätenmodell

12.3 Verzahnung von Anforderungserarbeitung und -dokumentation

13. Reifegradmodell

13.1 Referenzmodelle für die Reife einer Anforderung

13.2 Einordnung der Formalisierung in ein Reifegradmodell

13.2.1 Specification

13.2.2 Agreement

13.2.3 Representation

Teil V: Bewertung und Ausblick

14. Diskussion ähnlicher Arbeiten

14.1 Das Sophist Regelwerk

14.2 ATTEMPTO CONTROLLED ENGLISH

14.3 Sicherheitsfachsprache der Uni Cottbus

14.4 Modellbasierte Erfassung von Anforderungen mit UML

14.5 Formalisierungsansatz nach AUTORAID

14.6 Anforderungserfassung in OCTOPUS/UML

14.7 Die Spezifikationssprache SALT

15. Zusammenfassung

16. Ausblick

16.1 Formalisierung von Zeiteigenschaften

16.2 Formalisierung von Systemanforderungen

16.3 Vorverlagerung der Modellbasierung

16.4 Werkzeugunterstützung

16.5 Verknüpfung zu einer umfassenden Methodik

Zielsetzung & Themen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herausforderung, Anforderungen für eingebettete Systeme im Automotive-Bereich präzise, strukturiert und verständlich zu dokumentieren. Ziel ist die Entwicklung einer fundierten, modellbasierten Formalisierungsmethodik, die den Interessenskonflikt zwischen informeller Flexibilität und notwendiger formaler Strenge auflöst, um einen nahtlosen Übergang vom Anforderungsmanagement zum Design zu ermöglichen.

• Entwicklung eines formalen Modells zur präzisen Definition funktionaler Nutzeranforderungen.
• Konzeption einer semiformalen Darstellungsform, die sowohl für Stakeholder verständlich als auch für technische Designs verwertbar ist.
• Erarbeitung einer vierstufigen Formalisierungsmethodik (Klassifikation, Formulierung, Strukturierung, Übergabe).
• Validierung der Methodik durch Fallstudien aus der Automobilindustrie (ACC, Türsteuergerät).
• Integration in bestehende Referenzmodelle für das Requirements Engineering.

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1. Motivation und Zielsetzung: Einführung in die Problematik widersprüchlicher Anforderungen an die Dokumentation von eingebetteten Systemen und Vorstellung des Ziels, ein modellbasiertes Formalisierungskonzept zu entwickeln.

2. Grundlagen: Erläuterung der Kernbegriffe Requirements Engineering, Modellbasierung und Formalisierung im Kontext von eingebetteten Systemen.

3. Wissenschaftliche Vorgehensweise und Fallstudie: Darlegung der methodischen Vorgehensweise anhand von Vorarbeiten und der Verwendung zweier repräsentativer Fallstudien (ACC, Türsteuergerät).

4. Auswahl der zu formalisierenden Anforderungen: Begründung der Fokussierung auf funktionale Nutzeranforderungen und Definition der formalisierungsspezifischen Klassifikation.

5. Formale Definition des zugrundeliegenden Modells: Detaillierte mathematische Spezifikation des zugrunde liegenden Denkmodells (Ereignisse, Zustände, Aktivitäten, Variablen, Zeit).

6. Definition einer geeigneten Darstellungsform: Entwurf einer semiformalen, textuellen Darstellungsform für Anforderungsbestandteile und Anforderungsmuster.

7. Klassifikation: Einführung des ersten Formalisierungsschrittes zur Einteilung von Anforderungen in homogene Klassen.

8. Formulierung: Beschreibung des Schrittes zur Extraktion logischer Aktionen und Anwendung standardisierter Anforderungsmuster.

9. Strukturierung: Erläuterung der Strukturierung von Anforderungen in Dienste (Diensthierarchie) zur Steigerung von Konsistenz und Vollständigkeit.

10. Übergabe ans Design: Definition des Übergangs von formalisierten Anforderungselementen in die Zielsprache des Designs (CAR-DL).

Schlüsselwörter

Requirements Engineering, Modellbasierte Formalisierung, Eingebettete Systeme, Automotive-Bereich, Funktionale Nutzeranforderungen, Anforderungsmuster, Logische Aktionen, Diensthierarchie, Anforderungsqualität, Konsistenz, Vollständigkeit, Durchgängigkeit, Lastenheft, Systemmodellierung.

Häufig gestellte Fragen

Was ist das Hauptanliegen dieser wissenschaftlichen Arbeit?

Die Arbeit untersucht, wie Anforderungen für eingebettete Systeme im Automotive-Bereich so dokumentiert werden können, dass sie einerseits für nicht-technische Stakeholder verständlich bleiben und andererseits präzise genug für den direkten Übergang in ein modellbasiertes Design sind.

Welche Herausforderungen bei der Anforderungsdokumentation werden adressiert?

Im Fokus steht der Interessenskonflikt zwischen der notwendigen freien Notation für kreative Phasen, der strukturierten Darstellung für Konsistenz und Vollständigkeit, sowie der formalen Notation für die präzise technische Implementierung.

Was ist das primäre Ziel des entwickelten Formalisierungsansatzes?

Ziel ist es, informell formulierte Anforderungen schrittweise in eine semiformale Form zu überführen, die eine systematische Qualitätssicherung ermöglicht, ohne dabei die Verständlichkeit für beteiligte Stakeholder zu opfern.

Welche wissenschaftliche Methode kommt zur Anwendung?

Es wurde eine vierstufige Methodik entwickelt, bestehend aus Klassifikation, Formulierung, Strukturierung und Übergabe an das Design. Diese wurde fallstudiengetrieben im Rahmen des Forschungsprojekts Mobilsoft unter Einbeziehung von Industriepartnern evaluiert.

Welche Schwerpunkte behandelt der Hauptteil der Arbeit?

Der Hauptteil gliedert sich in die formale Definition des zugrundeliegenden Modells, die Gestaltung einer geeigneten Darstellungsform (semiformal) und die praktische Umsetzung der Formalisierungsschritte, ergänzt durch die Einbettung in den gesamten Entwicklungsprozess.

Durch welche Schlüsselwörter lässt sich der Kern der Arbeit beschreiben?

Zu den zentralen Begriffen zählen Requirements Engineering, modellbasierte Formalisierung, funktionale Nutzeranforderungen, Anforderungsmuster, Dienste und Durchgängigkeit.

Warum wurde bei der Fallstudie "Abstandsgeregelter Tempomat" (ACC) eine Klassifikation vorgenommen?

Aufgrund der großen Heterogenität der Anforderungen konnte keine universelle Formalisierungsmethode definiert werden. Die Klassifikation ermöglicht es, für homogene Anforderungsgruppen (wie die funktionalen Nutzeranforderungen) spezifische und anwendbare Regeln festzulegen.

Welche Rolle spielen "Dienste" bei der Strukturierung der Anforderungen?

Dienste fungieren als Container für Anforderungen, die unter bestimmten Preconditions gültig sind. Sie dienen dazu, die gesamte Anforderungsmenge in handhabbare Einheiten zu zerlegen, die systematisch auf Konsistenz und Vollständigkeit hin analysiert werden können.