Software-Variantenmanagement mit SysML

Systemmodellierung Software-Variantenmanagement mit SysML

27.04.2016 Frank Lippert * |

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Variantenmodellierung hilft dabei, die Entwicklung von Produktlinien zu vereinfachen und konsistent zu halten. Die Methode Orthogonal Variability Modeling (OVM) zeigt in der Praxis zunehmend ihre Stärken.

Schemazeichnung einer Standheizung für das Auto. Der Beitrag erläutert das Vorgehen bei der Systemmodellierung anhand dieses Beispiels
(Bild: Standheizung Fluessigkeit Aufgeschnitten.jpg / / CC BY-SA 3.0)

Firmen stellen Konsumgüter oft in Form von Produktlinien und –familien her, also als eine Palette von Produkten, die gemeinsame Merkmale haben können. Im Fall mechatronischer Systeme spielen dabei auch immer technische Abhängigkeiten eine Rolle. Oft beginnt die Produktentwicklung jedes Mal von vorne, unabhängig von den Wiederverwendungspotenzialen, die eine gemeinsame Plattform bieten würde. Egal ob eine Produktlinie von Grund auf oder eine Plattform durch Analyse bestehender Produkte aufgebaut wird: Der Entwicklungsaufwand reduziert sich durch Wiederverwendung von Komponenten und durch Einsparung von Zeit und Geld bei Design und Test.

Immer häufiger kommen deswegen bereits in der Frühphase der Entwicklung, wie bei Anforderungserhebung und Systemarchitektur, insbesondere aber beim Design und der Implementierung, Modellierungen mit formalen Notationen und Simulation zum Einsatz. Als eine explizit für das Systems Engineering entwickelte Notation bietet sich hier die Systems Modeling Language SysML an, die von der Object Management Group standardisiert ist [1].

Bildergalerie

Bild 1: Ein Produkt, hier ein Kfz, als Komposition von Features dargestellt in blankem SysML ohne jegliche Varianten. Die Raute repräsentiert eine Komposition von Teilen zu einem größeren Ganzen. Die Pfeile stehen für die Bezeihungen zwischen den Ganze- und den Teile-Blöcken. Die Ganze-Blöcke kennen die Teile-Blöcke, können Eigenschaften aufrufen, Meldungen abschicken etc. Umgekehrt gilt das nicht automatisch.

Bild 2: Das Blockdiagramm stellt die technischen Kontexte des in sich abgeschlossenen Systems "Standheizung" dar (siehe Text). Es besteht aus den vier Blöcken StandheizungSystem, Sensoren, Mechanik und Umwelt. Über die Linien werden die Beziehungen zwischen den Blöcken ungerichtet dargestellt, im Falle von Stoff- oder sonstigen Flüssen geben die Pfeile die Richtung an.

Bild 3: Exklusionsbeziehung zwischen den Varianten der Betriebsart für die Heizquelle bei der Standheizung, dargestellt in OVM-Notation. Dreieck-VP: Variation Point. Quadrat-V: Variante. Gestrichelte Linie: Optionale Variante. "excludes": Exklusives ODER.

Die SysML ist ein Profil – eine fachspezifische Anpassung – und eine Weiterentwicklung der Unified Modeling Language UML für das Systems Engineering (was sich im Namensbestandteil „Sys-“ widerspiegelt) und enthält die meisten in der UML vorhandenen Diagrammtypen. Sowohl Struktur als auch dynamisches Verhalten eines Systems können modelliert werden. Anders als die UML ist die SysML aber nicht an Software gebunden. Praktisch alle physikalischen Beziehungen, Randbedingungen, Stoff- und Energietransporte können ausgedrückt werden. Darin besteht der Vorteil von SysML.

Das Basiselement der SysML ist nicht die „Klasse“, sondern der „Block“. Ein Block kann fast alles darstellen: System, Komponente, Funktion, Feature, Aktivität etc. Wie in der UML kann man benutzersichtbare Features als Use Cases modellieren und in Szenarien wie dem Aktivitäts- und Zustandsdiagramm darstellen. Statische Beziehungen zwischen Systemen, Subsystemen und Komponenten drückt man in Blockdiagrammen oder internen Blockdiagrammen aus. Es können zudem Anforderungen und mathematische Randbedingungen in eigenen Diagrammen modelliert werden.

Wichtig ist auch die Zuordnung oder Abbildung von konzeptuell verschiedenen Diagrammen und Artefakten, die man mit der allocate-Beziehung zwischen praktisch allen Modellelementen herstellen kann. Dies kann die UML mit der dependency-Beziehung oder der Generalisierung nur unvollkommen ausdrücken. Bild 1 (siehe Bildergalerie) zeigt ein Kfz als Komposition von Features in SysML-Notation. Ohne den Gedanken an Plattform- oder Variantenmodellierung kommt es trotz Einsatz fortschrittlicher Mittel zu einer Explosion der zu beachtenden Varianten-Anzahl innerhalb einer Produktfamilie.

Ein Hindernis bei der Einführung von Variantenmodellierung dürfte neben den unvermeidbaren Kosten der Tool-Einführung und der nötigen Schulungen die generell geringere Verbreitung von Modellierungsmethoden mit formalen Notationen im Systems Engineering sein (im Gegensatz etwa zu Simulationen) [2]. Auch ist Variantenmodellierung selbst nicht international so standardisiert wie die UML oder SysML. Dies hat höhere Einführungskosten zur Folge.

Der Austausch von Variantenmodellen mit Kunden oder Zulieferern ist eventuell nicht ohne Weiteres möglich, so dass sich der Einsatz dieser Modellierungsform auf die interne Entwicklung beschränken kann. Jedoch zeigt unsere Erfahrung, dass diese anfänglichen Investitionen durch wesentliche Aufwand- und Kostenreduzierungen sowie deutlich verbesserte Entwicklungs- und Testprozesse in (relativ nach Komplexität des Produkts) in kurzer Zeit wieder hereingeholt werden.