Der Fachausschuss Q3.4 Software Engineering der DGLR veranstaltet am 17. September 2014 einen eintägigen Workshop zum Thema

"Variantenmanagement für Luft- und Raumfahrtsysteme"

Ort: Institut für Luft- und Raumfahrt, TU München, Garching bei München

Call for Paper

Luft- und Raumfahrtsysteme sind in der Regel sehr teuer in Entwicklung, Produktion und Wartung. Aus diesem Grunde werden sie oftmals für verschiedene Missionsarten und Einsatzszenarien ausgelegt. Dies führt zu funktionalen und technischen Varianten in der Systemauslegung und letztendlich auch zu Softwarevarianten.

Die parallele Entwicklung und Pflege von Softwareprodukten erfordert eine Vervielfachung der benötigten Ressourcen und des Personals, bei gleichzeitig hohem Maß an funktionaler Überschneidung. Dieser extrem kostenintensive Ansatz verbietet sich in Hinsicht auf die immer enger werdenden Budgets der europäischen Nationen sowie dem Preisdruck der Airlines. Auch der Mangel an Ingenieuren, die solche Systeme überhaupt entwickeln können, erfordert eine intelligentere Lösung.

Bereits in den 1990er Jahren wurde das Konzept der Softwareproduktlinien zur Lösung dieses Problems entwickelt und in verschiedenen Bereichen, u.a. in der Luftfahrt, eingesetzt. Es gibt für Softwareproduktlinien bereits ein umfangreiches Arsenal an Methoden und auch Werkzeugen, die allerdings nicht immer unter den Randbedingung der Luft- und -Raumfahrt einsetzbar sind. Viele der Verfahren fokussieren auf die Softwareerstellung als solche - bei Luft- und Raumfahrtprojekten macht diese aber nur einen geringen Anteil des Gesamtaufwands aus, ein weitaus größerer Anteil der Gesamtentwicklungskosten liegt bei Dokumentation, Verifikation und Qualitätssicherung.

Der Aufbau eines Variantenmanagements in der Luft- und Raumfahrt erfordert daher die Anpassung aller Bereiche des Software- und Systems-Engineerings, inklusive Methoden, Werkzeuge, Architektur, Entwicklungsprozesse und auch der Entwicklungsorganisation.

Für unseren Workshop sind insbesondere die folgenden Themen von Interesse:

• Definition von Features mit Abhängigkeiten zwischen mehreren Varianten
• Requirementsfindung und -management für Varianten
• Entwurf von Softwarearchitekturen für Varianten
• Auswirkung von Variantenmanagement auf Echtzeitsysteme
• Reduzierung von Qualifikationskosten bei der Zulassung von Varianten
• Auswirkungen auf das Konfigurationsmanagement durch Varianten
• Überprüfung der Kompatibilitäten von Varianten

Geplant ist ein reger Erfahrungsaustausch auf Fachspezialistenebene. Dazu suchen wir Vorträge und Erfahrungsberichte aus der industriellen Praxis oder der industrienahen Forschung, die sich mit den dargestellten Themen befassen.

Jeder Vortrag sollte ca. 30 Minuten dauern, anschließend sind 15 Minuten Diskussion vorgesehen. Zwecks Vorbereitung des Workshops wird um die Zusendung einer Kurzfassung des Vortrags bis spätestens 30. Juni 2014 gebeten. Der Workshop findet am 17. September 2014 an der Technischen Universität München in Garching statt. Die Teilnahme ist kostenlos.

Für weitere Informationen und zur Vortragsanmeldung stehen Ihnen die Obleute des Fachausschüsse Q3.4 zur Verfügung.

Termine

Vortragsanmeldung: 30. Juni 2014

Programm und Benachrichtigung der Vortragenden: 30. Juli 2014

Anmeldung: bis 12. September 2014

Workshop: 17. September 2014

Programm und Download der Vorträge

Bei Bedarf können die Dokumente zu den jeweiligen Vorträgen bei den Obleuten des Fachausschuss angefordert werden.

Bericht

Am 17. September 2014 fand der jährliche Workshop des Fachausschusses Q3.4 Softwareengineering zum Thema „Variantenmanagement für Luft- und Raumfahrtsysteme“ am Institut für Luft- und Raumfahrt der Technischen Universität München in Garching statt.

Zu Beginn begrüßten die Obleute des einladenden Fachausschusses, Richard Seitz und Frank Dordowsky, die etwa 35 Workshopteilnehmer aus Forschung, Industrie und von der Bundeswehr.

Frank Dordowsky von der ESG Elektroniksystem- und Logistik-GmbH, der für Richard Bridges von Airbus Helicopters eingesprungen war, stellte die Entwicklung der Softwareproduktlinie für die Avioniksoftware des NH90 vor. Der Schwerpunkt des Vortrags lag auf den Prinzipien des gewählten Produktlinienansatzes sowie dessen Umsetzung in der Software-Architektur und auf den im Projekt eingesetzten  Werkzeugen, die zu einem hohen Anteil Eigenentwicklungen sind.

In seiner Zusammenfassung wies er darauf hin, dass das Produktlinienkonzept nicht auf Software beschränkt bleiben darf, sondern auf die Systementwicklung insgesamt ausgedehnt werden muss. Überdies sind auch Anpassungen an Prozessen und an der Organisation notwendig, was die Unterstützung des Managements essentiell macht.

Marko Beutler von Avionic Design Service führte diese Gedanken in seinem Vortrag „Variantenmanagement – Zusammenspiel zwischen Produkt und Domain Engineering innerhalb der Wertschöpfungskette am Beispiel der Avionik-Entwicklung“ weiter und forderte ebenfalls, dass der vollständige Entwicklungszyklus abgedeckt werden muss. Ein effektives Variantenmanagement verlangt die Einbindung unterschiedlicher Entwicklungsprozesse und Sichtweisen sowie die Trennung von Produkt- und Domänen-Engineering.

Bei dem von ihm vorgestellten Layered V-Modell wird die Funktionalität des Systems in sogenannte Features gruppiert und ein vollständiger Entwicklungsprozess, der alle Entwicklungsdisziplinen umfasst, auf die Features angewendet. Die daraus entstehenden Artefakte werden als sogenannte Assets in einer Asset Base verwaltet. Marko Beutler demonstrierte das Konzept anhand des Features „Fixed Frequency“ für ein hypothetisches Avioniksystem.

Marko Beutler berichtete, dass Produktlinien seiner Erfahrung nach fast nie von Anfang an berücksichtigt werden, sondern meistens in ein laufendes Projekt aufgenommen werden müssen.

Dr.-Ing. Simon Görke vom Institut für Luftfahrtsysteme der Universität Stuttgart stellte einen Ansatz für die „generative Variantenkonfiguration für die plattformbasierte Entwicklung von Luftfahrtsystemen“ vor. Die flexible Plattform für hoch redundante Luftfahrtsysteme basiert auf Konzepten der Integrierten Modularen Avionik (IMA) unter Verwendung der standardisierten ARINC 653 Betriebssystemschnittstelle. Dabei werden die Regelungsalgorithmen vom Systemmanagement getrennt. Letzteres implementiert Aspekte wie Verteilung, Redundanz und Fehlertoleranz.

Die Varianten der Systemarchitektur entstehen durch sehr heterogene Sensoren und Aktuatoren, unterschiedliche Redundanzgrade und -formen, sowie Umfang und Verteilung der Applikationen. Die Varianten werden über Parametrisierung instanziiert, wobei aber einige hunderttausend Parameter gesetzt werden müssen. Damit wird die Komplexität der Entwicklungsaufgabe in die Komplexität einer Konfigurationsaufgabe umgewandelt.

In der von Dr. Görke beschriebenen Lösung werden aber nicht alle Parameter händisch gesetzt, sondern aus einer Systembeschreibung auf hohem Abstraktionsniveau generiert. In mehreren Schritten wird diese abstrakte Systembeschreibung über automatische Transformationen in die finale Systemkonfiguration übersetzt. Die abstrakte Systembeschreibung wie auch die verschiedenen Zwischenergebnisse werden mit einer Domain Specific Languange (DSL) spezifiziert.

Das vorgestellte Konzept wurde mit anwendungsnahen Forschungsprojekten wie SAFAR und LAPAZ validiert – letzteres wurde bereits auf einem der früheren Workshops vorgestellt.

Zukünftig soll auch die für die Zulassung des Systems benötigte Dokumentation aus der Systembeschreibung generiert werden. Die Qualifizierung der Generatoren ist allerdings nicht geplant, die Verifikation des generierten Systems soll auch in Zukunft durch die manuelle Verifikation der Generate geschehen.

Laurent Beugnet von Airbus Defence and Space aus dem Bereich Common Engineering stellte in seinem Vortrag „SW Product Lines within Airbus Defence and Space, Space Systems“ zwei Produktlinien für Telekommunikations- und Erdbeobachtungssatelliten vor. Im Gegensatz zu den in den vorausgegangenen Vorträgen beschriebenen Produktlinien wurden sie vom Management aufgesetzt, um im wettbewerbsintensiven Markt der Telekommunikationssatelliten bestehen zu können.

Alle Instanzen der Produktlinie haben eine gemeinsame Software, die je nach Produktlinie über 30 bzw. 80 Konfigurationsparameter eingestellt werden.

Einführung und Umsetzung der Produktlinien geschah im Top-Down-Ansatz unter Einbeziehung des System Engineerings. Beim Aufsetzen einer Produktvariante wird gezielt darauf geachtet, dass die Variation der Instanz durch die Parametrierung abbildbar bleibt. Die Produktlinie umfasst neben den Software-Komponenten auch Werkzeuge, Prozesse und Dokumente.

Andreas Graf von der itemis AG ließ die Teilnehmer über den Tellerrand blicken und stellte in seinem Vortrag „Variantenmanagement in der Automotive-Industrie“ die neuesten Überlegungen der Automotive-Industrie bei der Behandlung von Varianten vor. Das Variantenproblem ist in diesem Bereich um Größenordnungen umfangreicher, denn Produktlinien haben hier zwischen 3000 und 5000 Features mit bis zu 1000 Constraints.

Andreas Graf beschrieb vier aktuelle Ansätze: Customer Specific Solution, also eine kundenspezifischen Lösung, wie sie auch in den vorangegangenen Vorträgen aus der Luft- und Raumfahrt beschrieben wurden, sowie die drei Standardisierungsbestrebungen AUTOSAR, Common Variability Language (CVL), und EAST-ADL. Andreas Graf erläuterte die Behandlung von Varianten durch diese Standards sowie ihre Zusammenhänge. Es wurde deutlich, dass die Automotive-Industrie verstärkt auf Standards zur Lösung des Variantenproblems setzt.

Ebenfalls aus dem Blickwinkel eines anderen Fachgebiets berichtete Magnus Krahmer von AviComp über das „Variantenmanagement für Software-Systeme zur Überwachung, Steuerung und Regelung von Kompressoren in der Internationalen Öl- und Gasindustrie“. Die Variabilität entsteht in diesem Bereich dadurch, dass AviComp für die kundenspezifischen und sicherheitskritischen Anlagen viele verschiedene Maschinenhersteller mit ihren unterschiedlichen Produkten und Steuerungssystemen unterstützen muss. Einer Vereinheitlichung oder Beschränkung auf wenige Hersteller bzw. Steuerungssysteme stehen die Erfordernisse des Marktes entgegen.

Die Ziele des Variantenkonzepts von AviComp ist eine Kostenreduktion und Effizienzsteigerung durch eine einheitliche Funktionsarchitektur und harmonisierte Systembibliotheken. Der Lösungsansatz von AviComp besteht in der Einführung sogenannter ‚Software Function Typicals‘, plattform-unabhängige, datenflussähnlich Blackbox-Beschreibungen, aus denen die Software Design Basis zur Instanziierung einer Produktvariante abgeleitet wird. Dieser Prozess ist allerdings noch manuell aufgrund der Heterogenität der von den Herstellern bereitgestellten Werkzeuge.

Dr. Michael Schulze von pure-systems stellte in seinem Vortrag „Start where it starts“ heraus, dass für ein erfolgreiches Variantenmanagement eine geeignete Behandlung der Anforderungsvarianten wesentlich ist. Die Wiederverwendung von Anforderungen ist der Schlüssel für eine Wiederverwendung von Artefakten aus späteren Entwicklungsphasen.

Die Herausforderung besteht nun darin, bei einer hohen Anzahl von Anforderungen und Varianten die richtigen Anforderungen für eine Produktinstanz zu identifizieren. Bei dem von Dr. Schulze vorgestellten Ansatz enthält eine sogenannte Plattformspezifikation alle Anforderungen für alle Varianten, (150-Prozent Lösung). Aus der Plattformspezifikation werden die Produktspezifikationen regelbasiert abgeleitet.

Dr. Schulze demonstrierte das Konzept mit den Werkzeugen IBM DOORS und pure::variants, welches speziell für das Variantenmanagement entwickelt wurde.

Richard Seitz vom DGLR Fachausschuss Q3.4 beschloss die Veranstaltung.

Die Vorträge wurden von umfangreichen Fragen und engagierten Diskussionen begleitet, die in den beiden Kaffeepausen und während des Mittagessens fortgesetzt wurden. Die Teilnehmer nutzten auch intensiv die Gelegenheit zu einem allgemeinen Informations- und Gedankenaustausch, welches ja ebenfalls eines der Ziele des Fachausschusses ist.

Ein herzliches Dankeschön geht an die Vortragenden für ihre hervorragenden Präsentationen. Ein ganz besonderer Dank geht an die Mitarbeiter des Lehrstuhls für Flugsystemdynamik von Prof. Dr. Holzapfel, Christoph Dörhöfer und Kajetan Nürnberger, für ihre tatkräftige und sehr engagierte Unterstützung bei der Vorbereitung und Durchführung des Workshops. Wir möchten uns auch bei den Firmen Airbus Defence and Space und ESG für die Übernahme der Kosten für die Verpflegung in den Pausen bedanken sowie bei der Technischen Universität München für die Überlassung des Hörsaals. Schließlich möchten wir uns bei allen Teilnehmern des Workshops bedanken, die durch ihre rege Beteiligung die Veranstaltung erst zu einem Workshop gemacht haben.

Allgemeine Informationen

Kurzfassung der Vorträge

Richard Bridges und Frank Dordowsky: Implementing a Software Product Line for the NH90 Avionics System

The NH90 is a medium weight multi-role helicopter that has been successfully sold to 14 nations and their armed forces. The growing number of customers and their  specific application domains for the NH90 has led to an increasing number of functionally different helicopter variants. In order to cope with the high number of software variants, the NH90 software Team has developed a software architecture that is based on Software Product Line (SPL) principles.

Software product lines rely on variability to manage the differences between products. Many variability realisation techniques discussed in the literature rely on mechanisms that are discouraged in the development of safety critical avionics software.

The majority of the avionics software of the NH90 is written in the programming language Ada 83. Its successor Ada 95 offers additional features to implement variation points. However, a transition to Ada 95 was not possible due to a number of Project specific restrictions.

The construction of the NH90 SPL relies on three pillars: an embedded real-time framework, extensive code generation and a set of design and coding patterns.

This presentation discusses the main properties of the software architecture that enabled the introduction of the software product line, the techniques used for code generation, and the use of design and coding patterns. It provides an example of an implementation of a software product line in a real project within the avionics domain under the limitations of a dated technology.

Marko Beutler: Variantenmanagement – Zusammenspiel zwischen Produkt und Domain Engineering innerhalb der Wertschöpfungskette am Beispiel der Avionik-Entwicklung

Der Einsatz von Variantenmanagement bei der Entwicklung komplexer Systeme ist nicht neu und wird in unterschiedlichen Anwendungen praktiziert. In der Regel findet jedoch Variantenmanagement in größeren Projekten nur lokal und in bestimmten Entwicklungsbereichen statt. So ist z.B. die Akzeptanz im Software Engineering oft sehr groß, während das Management und sogar das System Engineering solchen Ansätzen eher skeptisch gegenüber stehen bzw. keinen Bedarf an Änderungen innerhalb ihrer Bereiche sehen. Ein Grund ist sicherlich der starke Fokus von Variantenmanagement auf Software-intensive Produkte. Dadurch bewerten die Nicht-Softwarebereiche das Thema als nicht wichtig oder unterschätzen den potentiellen Mehrwert in den eigenen Bereichen. Ein weiterer Grund liegt in den unterschiedlichen Betrachtungen, so fokussiert das Management auf die einzelnen Produkte, wobei der Engineering Bereich auf funktionale Synergien zwischen den Produkten wert legt.   

Effektives Variantenmanagement mit einer hohen strategischen Wiederverwendung der entwickelten Assets (nicht nur Software) innerhalb einer Produktlinie, verlangt deshalb die Einbindung unterschiedlichen Entwicklungsprozesse und Sichtweisen gleichermaßen.

Dieser Vortrag erläutert das Aufsetzen und Managen einer Asset Base, also das Erfassen und Verwalten aller notwendigen Artefakte unter Einbindung der Variantenmanagement Prinzipien, der unterschiedlichen Entwicklungsdisziplinen sowie der Rollen in den Bereichen Produkt- und Domain Engineering.

Es wird eine Lösung aufgezeigt, wie ein Avionik-Teil-System in Features modelliert und mit all seinen Assets unter Berücksichtigung der Standards, Prozesse und Ressourcen effizient entwickelt werden kann.   

Andreas Graf: Variantenmanagement in der Automotive-Industrie

Auf Grund der großen Modellvielfalt bei gleichzeitiger Einführung von Plattform-Strategien spielt das Variantenmanagement auch in der Automotive-Industrie eine große Rolle. Gegenwärtig kommen häufig Unternehmens- und Projektspezifische Lösungen zum Einsatz. AUTOSAR, EAST-ADL, CVL und andere erscheinen als Kandidaten für eine Vereinheitlichung.

Dieser stellt die wichtigsten Ansätze im Vergleich vor.

Dr.-Ing. Simon Görke: Generative Variantenkonfiguration für die plattformbasierte Entwicklung von Luftfahrtsystemen

Keine Zusammenfassung vorhanden.

Magnus Krahmer und Ronald Eichhorn: Variantenmanagement für Software-Systeme zur Überwachung, Steuerung und Regelung von Kompressoren in der Internationalen Öl- und Gasindustrie

Bei Projekten der AviComp resultieren Software-Varianten aus der Kombination folgender Einflussparameter:

• Unterschiedliche Maschinenhersteller
• Unterschiedliche Instrumentierungsphilosophie der Endkunden (Projektspezifikationen, Engineering Standards)
• Unterschiedliche Hardware Systeme (PLC)
• Sicherheitssteuerung vs. Standard-Steuerung

Das Management dieser Komplexität erfolgt bei AviComp durch die Entwicklung plattformunabhängiger Standardlösungen (Typicals); in einer sogenannten Software Design Basis wird die erforderliche Funktionalität festgelegt und anzuwendende Varianten definiert.

Dr. Michael Schulze: Start where it starts

Viele Softwareorganisationen erstellen Produkte, die in mehreren  Varianten oder als Teile von Produktlinien ausgeliefert werden. Oft verlangt der Markt die Variantenvielfalt, und die Softwareorganisation verspricht sich einen Produktivitätsgewinn durch Wiederverwendung. In jedem Fall steigt die Komplexität der Software-Entwicklung. Dem  Anforderungsmanagement kommt dabei eine zentrale Bedeutung zu, wenn es darum geht, diese Komplexität zu meistern. Die effiziente Wiederverwendung ist der Schlüssel zur Reduktion von Aufwänden in
Entwicklung und Testen, denn wiederverwendete Anforderungen vereinfachen Wiederverwendung von Implementierung, Tests sowie weiteren Artefakten.
Herausforderungen sind bei einer hohen Anzahl von Anforderungen und Varianten die richtigen Anforderungen wiederzuverwenden. Nicht alle Anforderungen werden in allen Produktvarianten genutzt, oft müssen ähnliche aber nicht identische Anforderungen umgesetzt werden.

Der Vortrag  vermittelt die erforderlichen Grundkenntnisse, um Anforderungsmanagement für Varianten und Produktlinien zu gestalten und erfolgreich auf den Weg zu bringen. Er erläutert die Prinzipien des Anforderungsmanagements für Varianten und bietet die erforderlichen Methoden sowie Hilfsmittel.

Danksagungen

Wir danken für die freundliche Unterstützung bei der Vorbereitung und Durchführung des Workshops:

• Lehrstuhl für Luftfahrttechnik, TU München
• Airbus Defence and Space
• ESG Elektroniksystem und -Logistik GmbH