Gaudium et spes eine kraftvolle Vision Mut zur Veränderung Nichts muss so sein wie es ist.
SPES 2020 Projekthighlights aus Sicht der Industrie
Transcript of SPES 2020 Projekthighlights aus Sicht der Industrie
Reinhold Achatz
SPES 2020 Projekthighlights
aus Sicht der Industrie
2
Das Vorhaben
Software Plattform Embedded Systems (SPES 2020) • Verbundvorhaben des Bundesministeriums für Bildung und Forschung
• Projektlaufzeit: 11/2008 - 01/2012
• Projektvolumen: 38 Mio. Euro
Industrielle Partner
•Airbus Deutschland GmbH
•Berlin Heart GmbH
•Cassidian
•EADS-Deutschland GmbH
•Embedded4You e.V.
•Hella KGaA Hueck & Co.
•IT Power Consultants
•Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
•Robert Bosch GmbH
•RWE Energy AG
•SWM Services GmbH
•Siemens AG
•TeCNet GmbH
•TÜV Süd AG
Akademische Partner
• Fraunhofer-Institut für Experimentelles
Software Engineering (IESE)
• Fraunhofer-Institut für Rechnerarchitektur
und Softwaretechnik (FIRST)
• OFFIS e.V.
• Technische Universität Kaiserslautern
• Technische Universität München
• Universität Duisburg-Essen
• Universität Paderborn
SPES 2020 Projektstruktur
3
ZP-AP1 Ganzheitliche und durchg�ngige modellbasierte Entwicklung von heterogenen
eingebetteten Systemen inklusive Prozess und Werkzeugintegration
ZP
-AP
2 M
od
ellb
asie
rte
s
Re
qu
ire
me
nts
En
gin
ee
rin
g (
RE
)
f�r E
mb
ed
de
d S
yste
ms
ZP
-AP
3 M
od
ellb
asie
rte
Arc
hite
ktu
ren
twic
klu
ng
ZP
-AP
4 S
ich
erh
eitsn
ach
we
is,
Ze
rtifiz
ieru
ng
un
d Q
ua
lit�tssic
he
run
g
nic
ht-
fun
ktio
na
ler
An
ford
eru
ng
en
ZP
-AP
5 M
od
ellie
run
g p
ara
lle
ler
Ech
tze
itp
roze
sse
un
d N
ach
we
is
de
s E
ch
tze
itve
rha
lte
ns
Anwendungsprojekt Automatisierungstechnik (AT)
Anwendungsprojekt Automotive (AU)
Anwendungsprojekt Energie (EN)
Anwendungsprojekt Medizin (MT)
Anwendungsprojekt Avionik (AV)
Struktur: Grundlagen-Zentralprojekt und Domänen-Anwendungsprojekte
• Domänenübergreifend: Avionik, Automation, Automotive, Energie, Medizin
• Durchgängig: Integration über alle Entwicklungsphasen
• Organisationsübergreifend: Industrielle und akademische Konsortialpartner
Domänenspezifika:
Am Beispiel Automotive-Systeme
• Funktions- und Variantenvielfalt
• Vielfalt an Modellen aus unterschiedlichen Disziplinen
• Durchgängigkeit des Entwicklungsprozesses (zwischen
Prozessschritten sowie Disziplinen)
• Physikalisch regelnde Systeme mit hohen Echtzeitanforderungen
• Fahrzeuge werden mehr und mehr Teile eines Systemverbundes
• Steigende Anforderungen an Sicherheit und Manipulationsschutz
• Standards und Regularien prägen die Entwicklungslandschaft
(z.B. AUTOSAR, Automotive SPICE, ISO 26262)
Beispiel Vorgehen Automotive
Schlüsselanforderung in der Avionik
• Das System muss beabsichtigte Funktionen korrekt ausführen und
ausschließlich diese
– Nachverfolgung der Anforderungen über alle Ebenen
– Validierung und Verifikation der Anforderungen auf allen Ebenen
• Sicherheit ist die zentrale Systemeigenschaft
– Sehr gutes Verständnis der Fehlerquellen und des Fehlerflusses
• Interne Fehlerquellen (z.B. Versagen einer Komponente)
• Externe Fehlerquellen (z.B. Versagen der Kühlung)
– Nachvollziehbare Systemarchitektur
• Deterministisches Systemverhalten
• Partitionierung der Funktionen (Fehlerisolation)
• Zulassung ist die Voraussetzung für den Betrieb der Systeme
– Nachweis der Sicherheit durch Sicherheitsanalysen (z.B. Fehlerbaum)
– Evidenz durch viele konsistente Dokumente
• z.B. 20 Dokumente pro Software-Einheit (DO-178B)
© 2012 Cassidian - All rights reserved.
Ziele der Avionik in SPES 2020
• Anforderungen
– Besseres Verständnis der Struktur und des Flusses der Anforderung
durch Modellierung
– Formalisieren der Anforderungen
• Architektur
– Umgang mit Abstraktionsebenen im Produkt (Flugzeug)
– Entwurfsmethode von Funktionen bis zu deren Realisierung über mehrere
Abstraktionsebenen hinweg
• Sicherheitsmodellierung
– Integration des Entwurfs- und Sicherheitsmodells (Konsistenz)
• Verifikation
– Generieren von Testfällen und Testprozeduren aus formalisierten
Anforderungen (siehe oben)
© 2012 Cassidian - All rights reserved.
Automatisierung: Modell-
basiertes Anforderungsmanagement
Partner
• Siemens Corporate Technology
• Universität Duisburg Essen
Aufgabenstellung
• Modellbasierte Anforderungsmanagement in der Automatisierungstechnik
Herausforderungen:
• Systematische Anforderungsmanagement bei Automatisierungsgeräten und der Automatisierung von Anlagen
Vorgehen und Ergebnisse
• Definition des Modellierungsansatzes für Anforderungen und einer methodischen Unterstützung für das modellbasierte Requirements Engineering von Embedded Systemen
• Spezialisierte Modellierungskonzepte und Vorgehensweisen für das Anwendungsgebiet Automatisierungstechnik (z.B Video-Based Requirement Engineering)
• Methodik zur Erfassung von Anforderungen bei Automatisierungsgeräten und der Automatisierung von Anlagen (z.B. Storytelling Framework)
• Teilautomatisierte Verfahren zur Prüfung von Anforderungen
Veröffentlichungen (Auszug) • N. Boulila, A. Hoffmann, A. Hermann. Using Storytelling to
Record Requirements: Elements for an Effective Requirements Elicitation Approach, 19th Requirements Engineering conference 2011 Trento-Italy
• N. Boulila, O. Creighton, G. Markov, S. Russell, R. Blechner. Presenting a day in the life of video-based requirements engineering, ONWARD 201
Patient CT Scanner Endoscope Vital Signs Tool L Tool Rscan
puncture
monitor
insert
insert
operate
operate
operate with Tool L
operate with Tool R
plan operation
Video-based Requirements Engineering Framework
Erfassung von Anforderungen auf verschiedenen Level
Smart Grid:
Rollen und
Anwendungen
Komponentendiagramm
einer dezentralen Einheit
in einem Virtuellen Kraftwerk
Energie: Virtuelle Kraftwerke im Smart Grid
Partner
• paluno – The Ruhr Institute for Software Technology
• RWE Deutschland AG
• Siemens Corporate Technology
• Stadtwerke München
• Technische Universität München
Aufgabenstellung
• Requirements Engineering und Modellierung Virtueller Kraftwerke im Smart Grid
Herausforderungen:
• Durchdringung eines zukünftigen innovativen Anwendungsfalls in der Energiedomäne
• Durchgängige Entwicklung von den Geschäftsprozessen bis zu den Komponenten
Vorgehen und Ergebnisse
• Analyse der Anforderungen an die Systemmodellierung
• Exemplarische Modellierung unter Verwendung verschiedener Modellierungsansätze
• Simulative Betrachtungen zur Untersuchung von Einflussfaktoren und Wirkzusammenhängen
uc Smart Grid
Control Decentralized
Energy Generation and
Consumption
Virtual Power Plant
(from Business Roles)
Measure Energy
Metering Operator
(from Business Roles)
Transport Energy
Network Operator
(from Business Roles)
Decentral ized Unit
(from Business Roles) Energy Prov ider
(from Business Roles)
Power Plant
(from Business Roles)
Transmission System
Operator ("Neighbour")(from Business Roles)
Control Energy
Prov ide and Collect Energy
cmp Decentralized Unit Site
Controllable Consuming Unit
CCUConnectCCUDescriptionCCUCo ntrolCCUStatusCCUCon figure
Refrigerator
Heating
Washing Machine
eCar
ICT Gateway
Measurement
CCUConnect
CCUCon figure
CCUStatus
CCUCo ntrol
CCUDescription
UserSettings
DGUCon figure
DGUStatus
DGUCo ntrol
DGUDescription
DGUConnect
Operation Te rminal
UserSettings
Air Conditioning
Metering Point
Measurement
Decentralized Generation Unit
DGUCon figure DGUStatus DGUCo ntrolDGUDescription DGUConnect
Decentral ized Unit
(from Business Roles)
Wind Turbine
Sola r Power
Generator
Hydro Power
Generator
CHP P lant
Biogas Plant
Pumpstation
Domainspezifische Anlagenbeschreibungen
Plant Engineering System
Simulative Validierung
Automatisierung: Simulation Based Engineering
einer Pumpstation
Partner
• Siemens Industry Automation
• Siemens Corporate Technology
Aufgabenstellung
• Frühzeitige Validierung von Anlagenkonzepten durch Simulation
Herausforderungen:
Validierung von Anlagenlayout und „Operation&Control
Philosophy“ in frühen Phasen
• Diskret-kontinuierliche Wechselwirkung zwischen Automatisierung und Prozess
• Verwendung von ausführbaren domainübergreifenden Modellen
Vorgehen und Ergebnisse
• Verwendung einer Modellbasierten Anlagenbeschreibung zum automatischen Generieren von Simulationsmodellen
• Integrierte simulative Validierung parallel zum Entwicklungsprozess
• Anwendung der Methode bei Siemens Industry Automation
• Übertragung der Methode auf Anlagen in allen Domainen
Veröffentlichungen (Auszug) • J. C. Wehrstedt, R. Rosen et al.: “Simulation Based Engineering
– Frühzeitige Validierung von Anlagenkonzepten“, in Wissenschaftsforum 2011 Intelligente Technische Systeme, Hrsg. Gausemeier, J. (et al.) 8. Paderborner Workshop Entwurf mech. Systeme, Bd. 294, 175-186, 2011
R&I Fließschema Funktionspläne
Outlet Flow Control
(Control Valve and
Surge Vessel)
Line Valve Station
(Cross Valve)
Main Pump StationBooster Pump StationTank Farm
U2WTS21AL001
U2WTS22AL001
U2WTS41AL001
U2WTS42AL001U1FCS20AL001
U1FCS10AL001
U1PSS31AL001
U1PSS32AL001
U1TFA01AT001
U1TFA03AT001
U1TFA02AT001
U1SVP11AV001
U1SVP11AV002
U1SVP11AV003
U1SVP12AV001 U1SVP12AV002U1SVP12AV003
L Rq
p
U1PSS10IF001
L Rq
p
U1PSS23IP002
L Rq
pU1PSS24IP002
L Rq
p
U1PSS22IP002
L Rq
p
U1PSS21IP002
L Rq
p U1PSS14IP002
L Rq
pU1PSS13IP002
L Rq
p U1PSS12IP002
L Rq
p
U1PSS11IP002L Rq
p
U1PSS11IP001
L Rq
p
U1PSS12IP001
L Rq
p
U1PSS13IP001
L Rq
p
U1PSS14IP001
L Rq
p
U1PSS21IP001
L Rq
p
U1PSS22IP001
L Rq
p
U1PSS23IP001
L Rq
p
U1PSS24IP001
L Rq
p
U1FCS10IP001
L Rq
p
U1FCS20IP001
L Rq
pU1FCS12IF001
L Rq
pU1FCS11IF001
L Rq
pU1FCS13IF001
L Rq
p
U2WTS21IP001
L Rq
p
U2WTS22IP001
L Rq
p
U2WTS31IF001
L Rq
p U2WTS32IF001
pV V%
L
U1TFA01IL001
pV V%
L
U1TFA02IL001
pV V%
L
U1TFA03IL001
pV V%
L
U1SVP11IL001
pV V%
L
U1SVP11IL002
pV V%
L
U1SVP11IL003
pV V%
L
U1SVP12IL001
pV V%
L
U1SVP12IL002
pV V%
L
U1SVP12IL003
p
q
p
q
p q
L
M
R
U1FCS20IF001
p
q
p
q
p q
L
M
R
U1FCS10IF001
p
q
p
q
p q
L
M
R
U2WTS21IF001
p
q
p
q
p q
L
M
R
U2WTS22IF001
U1PSS24AP001
U1PSS23AP001
U1PSS22AP001
U1PSS14AP001
U1PSS13AP001
U1PSS12AP001
U1PSS21AP001U1PSS11AP001
U2WTS21AA001
U2WTS22AA001
U1SVP12AA003U1SVP12AA002U1SVP12AA001U1SVP11AA003U1SVP11AA002
U1
FC
S2
0A
A0
02
U1
FC
S2
0A
A0
01
U1FCS13AA001
U1FCS12AA001
U1
FC
S1
0A
A0
02
U1
FC
S1
0A
A0
01
U1PSS24AA001 U1PSS24AA003
U1PSS23AA001
U1PSS23AA003
U1PSS22AA001 U1PSS22AA003
U1PSS14AA002
U1PSS14AA001 U1PSS14AA003
U1PSS13AA002
U1PSS13AA001
U1PSS13AA003
U1PSS12AA002
U1PSS12AA001
U1PSS12AA003
U1TFA02AA002
U1TFA02AA001
U1TFA03AA002
U1TFA03AA001
U1TFA01AA002
U2
WT
S3
0A
A0
03
U2WTS30AA002
U2WTS30AA001
U1SVP11AA001
U1FCS11AA001
U1PSS21AA001
U1PSS20AA001U1PSS20AA003
U1PSS21AA003
U1
PS
S1
0A
A0
06
U1PSS11AA002
U1PSS11AA001
U1PSS10AA001
U1
PS
S1
0A
A0
05
U1PSS11AA003
U1TFA01AA001
U1FCS12AA002
U1FCS13AA002
U1FCS11AA002
U1PSS20AA002U1PSS10AA002
Booster Pumps Main Pumps
L Rq
p
U1PSS20IF001
Automatisierung: Highlift Prüfstand Airbus A350
Partner
• Embedded4You e.V. (Microsys, FTI Group, IMACS, RST, N.A.T, XISys und Elma)
Aufgabenstellung
• Integration von heterogenen embedded Technologien in das SPES Metamodel
Herausforderungen:
Die Vereinigung vorhandener und neuer Techniken in
eine einheitliche Plattform
• Erforschung und exemplarische Umsetzung eines Middleware Konzepts
• Zusammenführen der Technologien auf einer Plattform
Vorgehen und Ergebnisse
• Enge Zusammenarbeit mit Forschungspartner Offis
• Entwickeln von Strategien in den verschiedenen Technologiebereichen:
• Testtechnologie FTI
• Hard- Software Plattform Microsys und N.A.T
• Visualisierung durch grafische Modellierung
• Zusammenführung und Erforschung am Demonstrator
• Exemplarische Umsetzung von Teilen des Metamodells
Veröffentlichungen (Auszug) • Präsentation der Forschungsträger auf den Messen Embedded
World und SPS/IPC/Drives, Symposien und Technolgie Tag (Embedded4You, BiccNet)
• Beiträge in die Normierungsaktivitäten des VDI (DIN 2657 Middleware in der Automatisierungstechnik)
Forschungsträger High
Lift Klappensystem
Testumgebung
“Blick von
Oben”
“Blick von
unten”
Requirement
Engineering
(Doors)
Matlab
Simulink
Test definition
language
(CCDL)
Verification
Management
Change
Management
Test Run
Management
Datenzentrisches Modell
I/O Protokolle
AFDX, ARINC429,
CAN,TCPIP
MicroTCA
Multicore
Multi-processing
Synchro
Resolver
Test-
oberfläche
XIBase
Prozessvisuali-
sierung
EtherCat
Digital I/O
“Blick von
Oben”
“Blick von
unten”
Requirement
Engineering
(Doors)
Matlab
Simulink
Test definition
language
(CCDL)
Verification
Management
Change
Management
Test Run
Management
Datenzentrisches Modell
I/O Protokolle
AFDX, ARINC429,
CAN,TCPIP
MicroTCA
Multicore
Multi-processing
Synchro
Resolver
Test-
oberfläche
XIBase
Prozessvisuali-
sierung
EtherCat
Digital I/O
emebdded Multicore-Plattform
auf Freescale Power
Architecture QorIQ
Prototyp modulare
Steuerung mit
integralem
Datenmodell
Walzwerk
Abhängigkeiten
• zwischen Strukturen
• im Workflow
Automatisierung: Modellbasiertes Engineering
von Walzwerken
Hydraulik
Komponenten bestellen
Drives
Bestellung Fix Speed
MechDesign 100%
Fix Speed Drives
approval
Stichplan
*.xls
Technologe
Umfangreiche Gespräche
zwischen SE, SM und
Subsupplier f. technologische
Messgeräte
EMF 50%
Vertrag 100%
Spezifikation
~EMF
MCL 60-80%
Rev. 6
+Motoren 100%
EMF 70%
Dimension 100%
Drawings
Technologische
Messgeräte
MechDesign 100%
VVF Drives approval
Automatisierer
Anforderungen f.
Technologische
Messgeräte erarbeiten
MechDesign 100%
Main Motor approval
Drives
Bestellung VVF
Drives
Drives
Bestellung Main Motor
Mechaniker
„Detaillieren“
Prüfen
Plant Layout 60-80%
Vertragsstand
I/O List 90% EMF 95%
MCL 90%
Rev 10
+Sensoren 100%
MCL 100%
ext. Einflüsse
Automation
programmieren
meldet unschärfen
Ext. Spec. 50%
Produkt
Ext. Spec. 100%
Hydraulik
Sensor MCL Stand
Automation
HW Design
listen
Dimension Drawings
100%
Main;VVF; Fix Drives
Mech. Integrator
Plant Integrator
Berücksichtigt
Feedback
EMF 100%
MCL 60-80%
Rev. 0
Fluids 95%
Zylinderliste 95%
„Grauzone
Sicherheit“
EMF 50%
Hydraulik Layout
Schemata etc.
Layout
Aufstellorte
Stationen
Mainpiperouting
Rohrführung
Ölmenge und Spec
Durchbrüche Bau
Fundamente Bau
Kunde Hydraulik
durchsprechen
hinsichtlich Prozess
Hydraulik
Bauteile wählen,
Verfahrgeschwindigke
iten eintragen etc.
Hydraulik
Ölmenge berechnen
Mechaniker
MCL generieren
Hydraulik
Komponenten
bestellen
Hydraulik überprüfen
auf Konsistenz
Hydraulik
Abnahme der Anlage,
ohne techn. Prozess
Hydraulik
Anlage konzipieren
WER
plant?
Fremdfertigung
Hydraulik
Rückmeldung
Vollständigkeit
Partner
• Siemens Metals Technology
• Siemens Corporate Technology
• Helmut Schmidt Universität Hamburg
Aufgabenstellung
• Anwendung von modellbasierten Engineering bei der Automatisierung von Walzwerken
Herausforderungen:
Beherrschung der Abhängigkeiten im Engineering
• Integration der Anlagenstrukturen (Systemstruktur, Gerätestruktur, Funktionsstruktur, etc.)
• Transparenz über die Wirkzusammenhänge im Engineering Workflow
Vorgehen und Ergebnisse
• Nutzung des SPES Metamodells zur Einordnung der verschiedenen Anlagenstrukturen
• Entwicklung einer Methode zur Analyse von Engineering-Workflows (Aufnahme des Workflows, Problempfade im Workflow, Ursache-Auswirkungs-Analysen)
• Anwendung der Methode bei Siemens Metals Technology
• Übertragung der Methode auf Anwendungen bei Siemens Energy
Veröffentlichungen (Auszug) • T. Jäger, A. Fay, T. Wagner, U. Löwen: Comparison of
engineering results within domain specific languages, International Multi-Conference on Systems, Signals and Devices, 2012
• T. Jäger, A. Fay, H. Figalist, T. Wagner: Systematische Risikominimierung im Engineering mit Abhängigkeitsanalyse und Schlüsseldokumenten, Tagungsband Automation 2011
Walzwerk
Anlagenmodell
Werkzeug COMOS
Automatisierung: Modernisierung der
Automatisierung von Walzwerken
Partner
• Siemens Metals Technology
• Siemens Corporate Technology
• Helmut Schmidt Universität Hamburg
Aufgabenstellung
• Modellgestützte Modernisierung der Automatisierung von Walzwerken
Herausforderungen:
Risikominimierung bei Angeboten für Modernisierung
• Ist-Aufnahme des “as build” Status einer Anlage im Rahmen eines Grobmodells
• Durchgängigkeit von der Angebotsphase in das Engineering
Vorgehen und Ergebnisse
• Entwicklung eines bezüglich der Detaillierung skalierbaren Anlagenmodells unter Einordnung in den SPES Modellierungsrahmen
• Entwicklung einer Methode zur Ist-Aufnahme von Anlagen-Informationen für eine Modernisierungs-planung
• Anwendung der Methode bei Siemens Metals Technology
• Realisierung der Durchgängigkeit von der Angebotsphase in das Engineering auf Basis des Werkzeugs COMOS
Veröffentlichungen (Auszug) • M. Strube, A. Fay, S. Truchat, H. Figalist: Funktionale
Anlagenbeschreibung als Basis der Modernisierungsplanung, Tagungsband Automation 2011
• M. Strube, A. Fay, S. Truchat, H. Figalist: Modellgestützte Modernisierungsplanung, atp-edition, Heft 7-8/2011
Zugsteuersystem
UML Modell der
Anwendungssoftware
Automatisierte Qualitäts-
sicherung der UML Modelle
Automatisierung: Modellbasierte Entwicklung
von Zugsteuersystemen
Partner
• Siemens Rail Systems
• Siemens Corporate Technology
• Philipps-Universität Marburg
Aufgabenstellung
• Qualitätssicherung der modellbasierten Entwicklung von Anwendungssoftware für Zugsteuersysteme
Herausforderungen:
• Verbesserung des aufwendigen QS-Prozesses für Modelle eine strukturierte Methode
• Definition geeigneter Maßnahmen zur automatisierten Prüfung mit verschiedenen UML Werkzeugen
Vorgehen und Ergebnisse
• Entwicklung einer Methodik zur Qualitätssicherung von Modellen
• Realisierung eines Prototyps zur automatisierten Prüfung von UML Modellen
• Anwendung der Ergebnisse bei Siemens Rails Systems
• Übertragung der Methode auf Anwendungen bei Siemens Industry und Healthcare
Veröffentlichungen (Auszug) • T. Arendt, S. Kranz, F. Mantz, N. Regnat, G. Taentzer: Towards
Syntactical Model Quality Assurance in Industrial Software Development: Process Definition and Tool Support. SE2011.
• F. Fieber, N. Regnat, B. Rumpe: Assessing usability of model driven development in industrial projects. C2M2009.
Weitere Informationen
15
Wesentliche Resultate aus SPES 2020 werden in einem
SPES-Band veröffentlicht.
(Erscheinungstermin: Sommer 2012)
Ausgewählte Projektdeliverable stehen zum Download bereit.
http://spes2020.informatik.tu-muenchen.de/resultate.html