Systems Engineering and Project Management (Introduction) · Systems Engineering and Project Management (Introduction) Prof. Dr. Franz Wotawa Institute for Software Technology [email protected]

Systems Engineering and Project Management

(Introduction) Prof. Dr. Franz Wotawa

Institute for Software Technology [email protected]

Was ist Systems Engineering?

Was sind Systeme?

Was sind Systeme?

  “A system is a set of interacting or interdependent component parts forming a complex/intricate whole.”

  “A system is an integrated composite of people, products, and processes that provide a capability to satisfy a stated need or objective.”

Was sind Systeme?   IEEE Std 1220-1998: "A set or arrangement of elements and processes that are related and whose behavior satisfies customer/operational needs and provides for life cycle sustainment of the products.”   ISO/IEC 15288:2008: "A combination of interacting elements organized to achieve one or more stated purposes."

Was sind Systeme?

  Systeme haben – Physische und zeitliche Grenzen – Eine Umgebung, die das System beeinflusst

  Systeme werden beschrieben durch –  Ihre Struktur –  Ihren Zweck –  Ihre Funktionalität

Was sind Systeme?   Systeme haben eine gemeinsame Charakteristik: – Struktur (Komponenten und deren

Verbindungen) – Verhalten –  Interkonnektivität

  Systeme selber können wiederum aus Systemen bestehen (Subsysteme)

Was ist Engineering?

  „Engineering ist die Anwendung von Mathematik, Empirie, sowie von wissenschaftlichen, wirtschaftlichen, sozialen und praktischen Wissen zur Erfindung, Entwicklung, Fertigung, Wartung, sowie Verbesserung von Strukturen, Maschinen, Werkzeugen, Systemen, Komponenten, Materialen und Prozessen.“

A Quote on Engineering “To define it rudely but not ineptly,

ENGINEERING is the art of doing that well with one dollar, which any bungler can do with

two after a fashion.”

Duke of Wellington Arthur Wellesley

1769-1852, British Statesman, Military Leader

Was passiert wenn Engineering versagt?

Was ist Systems Engineering?

  Systems Engineering ist ein Feld des Engineerings, das sich auf das Design und Management von komplexen Systemen über deren Lebensdauer beschäftigt.

Was ist Systems Engineering?   “A logical sequence of activities and decisions that transforms an

operational need into a description of system performance parameters and a preferred system configuration.” (MIL-STD-499A, Engineering Management, 1 May 1974.Now cancelled.)

  “An interdisciplinary approach that encompasses the entire technical effort, and evolves into and verifies an integrated and life cycle balance set of system people, products, and process solutions that satisfy customer needs.” (EIA Standard IS-632, Systems Engineering, December 1994.)

  “An interdisciplinary, collaborative approach that derives, evolves, and verifies a life-cycle balanced system solution which satisfies customer expectations and meets public acceptability.” (IEEE P1220, Standard for Application and Management of the Systems Engineering Process, [Final Draft], 26 September 1994.)

Was ist Systems Engineering?

  Zugehörige Disziplinen: – Requirements Engineering – Reliability Engineering – Logistik – Control Engineering – Software Engineering – Project Management – …

Was ist Systems Engineering?

  Grund für Systems Engineering: Managing Complexity!

Was ist Systems Engineering?

  Werkzeuge und Methoden: – System architecture, – System model, Modeling, and Simulation, – Optimization, – System dynamics, – Systems analysis, – Statistical analysis, – Reliability analysis, and – Decision making

Aufgabenbereich von SE

SE Prozess

Wichtige Aufgaben in SE   Verwendung von Modellen und Simulationen um Systemanahmen zu validieren und evaluieren.   Verwendung von Methoden zur möglichst frühen Erkennung von Fehlern! Safety Engineering   Kritische Entscheidungen möglichst früh evaluieren (hinsichtlich Konsequenzen) und treffen!

Simulationsmodelle

  Multi-domain Modelle

inertialxy

axis1

axis2

axis3

axis4

axis5

axis6r3Drive1

1r3Motor

r3ControlqdRef1

S

qRef1

S

k2

i

k1

i

qddRef cut joint

q: angle

qd

tn

Jmotor=J

gear=i

spring=c

fric=Rv0

Srel

joint=0

S

Vs

-

+diff

-

+pow er

emf

La=(250/(2*D*wm))

Ra=250

Rd2=100

C=0.004*D/w m

-

+OpI

Rd1=100

Ri=10

Rp1=200

Rp2=

50

Rd4=100

hall2

Rd3=

100

g1

g2

g3

hall1

g4

g5

rw

qd q

rate2

b(s)

a(s)

rate3

340.8

S

rate1

b(s)

a(s)

tacho1

PT1

Kd

0.03

wSum

-

sum

+1

+1

pSum

-

Kv

0.3

tacho2

b(s)

a(s)

q qd

iRefqRef

qdRef

Simulationsmodelle   Hierarchische Modelle

CourtesyofMar�nO�er

Srel = n*transpose(n)+(identity(3)- n*transpose(n))*cos(q)- skew(n)*sin(q); wrela = n*qd; zrela = n*qdd; Sb = Sa*transpose(Srel); r0b = r0a; vb = Srel*va; wb = Srel*(wa + wrela); ab = Srel*aa; zb = Srel*(za + zrela + cross(wa, wrela));

Safety Engineering   Ziel: Systeme im geforderten Maß sicher zu

machen.

  Meistens risikogetriebene Analyse

  Risiko r eines bestimmten Schadens e wird üblicherweise als Funktion der Wahrscheinlichkeit p des Schadenseintritts und der Kosten c bei Schadenseintritt definiert: r(e) = p(e) * c(e)

Safety Engineering   Ziel in der Entwicklung: Risken zu eliminieren bzw. unter einem gegebenen Grenzwert zu drücken.

  Meistens keine quantitative Aussage für Risko wichtig, sondern eine qualitative! – Beispiel: Wenn Menschenleben in Gefahr sind

und ein Ereignis möglich ist, dann hat dieses ein hohes Risiko, z.B.: ASIL D

Safety Engineering

  Beispiel: Risiko- verteilung bzgl. eines Impacts bei der Intl. Space Station Quelle: NASA

Techniken der Risikoabschätzung

  Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) – Bottom Up Approach – Für jede Systemkomponente werden

Fehlermodes identifiziert. – Für jeden Fehlermode werden deren

Auswirkungen (=Effects) analysiert und hinsichtlich Risiko bewertet

Techniken zur Risikoabschätzung

  Beispiel FMEA:

Komponente Mode Effekt Risiko

Tanksystem ZuvielTreibstoffangezeigt

Zielkannnichterreichtwerden

Mi�elbishoch

Triebwerk Ausfall AuswirkungenaufFlugverhaltenundRedundanz

Mi�el

Triebwerk Brand AuswirkungenaufFlugverhaltenundRedundanz

Mi�el

Techniken zur Risikoabschätzung

  Fault Tree Analysis (FTA) – Top Down Approach – Definition von Top Events wie

Flugzeugabsturz oder Bremsversagen – Zuordnung von Primary Events

Komponentenfehler, menschliches Versagen oder externe Events mittels boolscher Logik zu dem Top Event.

Techniken zur Risikoabschätzung

  Beispiel FTA: Flugzeugabsturz

Pilotenfehler Zusammenstoß

Turbinenausfall Steuerungs-ausfall

Oder

Und

Was passiert, wenn das System nicht gut (genug)

entwickelt wurde?

PopularMechanics,2010

Quelle:h�p://www.wired.com/so�ware/coolapps/news/2005/11/69355?currentPage=2

 3-5MillionenChipswarenvoneinemFehlerinderDivisionvonZahlenbetroffen

 $475MillionenSchaden

Quelle:h�p://www.wired.com/so�ware/coolapps/news/2005/11/69355?currentPage=2

 Fehler bei der Übersetzung einer Zahl in ein anderes Zahlensystem

 Zu großer Schub führte zu Explosion

 $ 370 Millionen Schaden

Vonwww.spiegel.de

SE Grundlagen & Ansatz

  Nach dem NASA/SP-2007-6105 Rev1 Systems Engineering Handbook

SE Design Prozess

NASA Project Process Flow

Zusammenfassung   Methode Systeme sicher zu entwickeln, zu bauen und zu warten.

  Systeme werden komplexer.

  Systems Engineering zielt auf die Entwicklung komplexer Systeme.

  Modellierung und darauf basierte Analyse ist wichtig.

Zusammenfassung

  Systems Engineering benötigt auch einen Prozess und damit verbunden Managementaktivitäten.

  Projektmanagement, d.h. die Umsetzung der Produktenwicklung hinsichtlich eines gegebenen Prozesses, ist ebenfalls eine wichtige Aufgabe.