Entwurf mechatronischer Systeme: Grundlagen, Methoden und Werkzeuge; Adaption, Selbstoptimierung und Verlässlichkeit ; Integration Mechanik und Elektronik, Miniaturisierung ; 10. Paderborner Workshop Entwurf mechatronischer Systeme, 23. und 24. April 2015 ; Heinz Nixdorf MuseumsForum / Jürgen Gausemeier, Roman Dumitrescu, Franz Rammig, Wilhelm Schäfer, Ansgar Trächtler (Hrsg.)

Jürgen Gausemeier Roman Dumitrescu Franz Rammig Wilhelm Schäfer Ansgar Trächtler (Hrsg.) Entwurf mechatronischer Systeme  Grundlagen, Methoden und Werkzeuge  Adaption, Selbstoptimierung und Verlässlichkeit  Integration Mechanik und Elektronik, Miniaturisierung 10. Paderborner Workshop Entwurf mechatronischer Systeme 23. und 24. April 2015 Heinz Nixdorf MuseumsForum Heinz Nixdorf Institut, Universität Paderborn – Paderborn – 2015 ISSN 2195-5239 Das Werk einschließlich seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung der Herausgeber und des Verfassers unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigung, Übersetzungen, Mikroverfilmungen, sowie die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Als elektronische Version frei verfügbar über die Digitalen Sammlungen der Universitätsbibliothek Paderborn. Satz und Gestaltung: Polina Decheva und Franziska Reichelt Hersteller: Hans Gieselmann Druck und Medienhaus GmbH & Co. KG Druck · Buch · Verlag Bielefeld Printed in Germany Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar Vorwort Die Symbiose von Informatik und Ingenieurwissenschaften ist das herausragende Merkmal der Universität Paderborn und insbesondere des Heinz Nixdorf Instituts. Die Aktivitäten auf den Gebieten Mechatronik und Intelligente Technische Systeme sind ein Ausdruck dieser Positionierung. Wir haben ein vitales Interesse an einem intensiven Dialog mit der Fachwelt; aus diesem Grund veranstalten wir zweijährlich unter dem Dach „Wissenschafts- und Industrieforum – Intelligente Technische Systeme“ den Workshop „Entwurf mechatronischer Systeme“. Wir richten uns an Fachleute aus Industrie und Forschungsinstituten, die sich maßgeblich mit der Entwicklung der technischen Systeme von morgen befassen. Die Veranstaltung bietet ihnen eine Plattform zur Diskussion und zum Erfahrungsaustausch. Für die Begutachtung und Auswahl der Beiträge danken wir den Mitgliedern des Programmkomitees herzlich. Ohne deren Expertise wäre diese Tagung in dieser Form nicht möglich. Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. A. Albers, Universität Karlsruhe Dr.-Ing. T. Koch, Porsche AG Prof. Dr.-Ing. R. Anderl, TU Darmstadt Prof. Dr.-Ing. F.-L. Krause, TU Berlin Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. T. Bertram, TU Dortmund Prof. Dr. rer. nat. H. Kück, HSG-IMAT Prof. Dr. Dr. h.c. M. Broy, TU München Prof. Dr.-Ing. U. Lindemann, TU München Prof. Dr.-Ing. R. Dudziak, FH Bochum Prof. Dr.-Ing. U. Rückert, Universität Bielefeld Prof. Dr.-Ing. J. Franke, Universität Erlangen-Nürnberg Dr. E. Sailer, Miele & Cie. KG Dr.-Ing. M. Gebauer, Karlsruher Institut für Technologie Dr.-Ing. E. Schäfers, Siemens AG Prof. Dr. Dr.-Ing. h.c. A. Gilg, Siemens CT Prof. Dr. R. Scheidl, Universität Linz Prof. Dr.-Ing. I. Gräßler, Universität Paderborn Dr.-Ing. H. Schütte, dSPACE GmbH Dr.-Ing. M. Hahn, iXtronics GmbH Prof. Dr.-Ing. habil. W. Sextro, Universität Paderborn Prof. Dr.-Ing. R. Kasper, Universität Magdeburg Prof. Dr.-Ing. C. Weber, TU Ilmenau Prof. Dr.-Ing. A. Kecskeméthy, Universität Duisburg-Essen Prof. Dr.-Ing. M. Zäh, TU München Paderborn, im April 2015 Prof. Dr.-Ing. J. Gausemeier, Dr.-Ing. R. Dumitrescu, Prof. Dr. rer. nat. F. Rammig, Prof. Dr. rer. nat. W. Schäfer und Prof. Dr.-Ing. A. Trächtler Inhaltsverzeichnis Einführung J. Gausemeier, A. Czaja, C. Dülme Innovationspotentiale auf dem Weg zu Industrie 4.0 ........................................ 11 Model-Based Systems Engineering in der Praxis S. Kleiner Model Based Systems Engineering: Einführung und Anwendungserfahrung der modellbasierten Entwicklung im Maschinenbau ........................ 53 N. Schmitt, R. Dumitrescu Ein durchgängiges Vorgehen zur Anforderungserfassung und -nachverfolgung ................................................................................................ 67 M. Schäfer, G. Stollt, A. Nyßen, R. Dorociak Erweiterung der Entwurfsmethodik CONSENS um absichernde Maßnahmen zur Risikominimierung in Produkten ............................................ 81 Intelligente Regelung mechatronischer Systeme T. Kaul, T. Meyer, W. Sextro Integrierte Modellierung der Dynamik und der Verlässlichkeit komplexer mechatronischer Systeme .............................................................................. 101 A. Rüting, C. Henke, A. Warkentin, A. Trächtler Entwurf eines Tripod-basierten Inspektionssystems – Vom virtuellen Prototypen zum Vorseriensystem ........................................... 113 S. Berger, D. Simon, P. Stich, G. Reinhart Mechatronisches Roboter-System zum Rückbau von Reaktordruckbehältereinbauten ..................................................................... 127 Modellierung eingebetteter Systeme L. Krawczyk, R. Höttger, C. Wolff, C. Brink, D. Fruhner AMALTHEA – Eine durchgängige Entwicklungsplattform für die modellgetriebene Entwicklung automobiler eingebetteter Systeme ............... 143 J. Meyer, J. Holtmann, T. Koch, M. Meyer Generierung von AUTOSAR-Modellen aus UML-Spezifikationen .................. 159 S. Windmann, O. Niggemann Selbstdiagnose und Selbstoptimierung technischer Systeme auf Basis datenbasierter Prozessmodelle ...................................................................... 173 Vernetzte mechatronische Systeme M. Petersen, G. Rehage, J. Gausemeier, F. Bauer Wissensaufbereitung und -bereitstellung durch Ontologien im Lebenszyklus von Produktionssystemen ........................................................ 189 D. Störkle, A. Barthelmey, J. Deuse, B. Kuhlenkötter, S. Magerstedt Technische Dokumentation in der Smart Factory ........................................... 211 J. Ponn Portfolio-Management für Elektroantriebe in Powertools bei Hilti: Herausforderungen und Lösungsansätze ...................................................... 225 Intelligente Elektronikentwicklung J. Zeitler, C. Fischer, J. Franke Integrativer Ansatz zur rechnergestützten Entwicklung räumlicher optomechatronischer Baugruppen ................................................................. 239 T. Schierbaum, J. Gausemeier Systematik zur Kostenbewertung von mechatronischen Systemen in der Technologie Molded Interconnect Devices ..................................................... 251 S. Herbrechtsmeier, T. Jungeblut, M. Porrmann Datenflussmodellierung als Methode zur Optimierung von Entwicklungsprozessen am Beispiel der Leiterplattenentwicklung ................. 265 Modellierung und Simulation mechatronischer J. Roßmann, M. Schluse, M. Rast, M. Hoppen, R. Dumitrescu, C. Bremer, M. Hillebrand, O. Stern, F. Blümel, C. Averdung Integrierte Entwicklung komplexer Systeme mit modellbasierter Systemspezifikation und -simulation .............................................................. 279 L. Weingartner, P. Hehenberger, S. Boschert, R. Rosen Simulationsgetriebene Systemmodellierung zur Analyse und Optimierung von Stückgut-Förderanlagen ...................................................... 291 S. Krotil, G. Reinhart Online-Simulation fluiddynamischer Prozesse in der Konzeptionsphase ....... 305 A. Albers, C. Bremer, T. Bruns, R. Dumitrescu, M. Krüger Modellbasierte Analyse und Simulation industrieller Großwäschereien ......... 319 Einführung Innovationspotentiale auf dem Weg zu Industrie 4.0 Jürgen Gausemeier, Anja Czaja, Christian Dülme Heinz Nixdorf Institut, Universität Paderborn Fürstenallee 11, 33102 Paderborn Tel. +49 (0) 5251 / 60 62 67, Fax. +49 (0) 5251 / 60 62 68 E-Mail: {Juergen.Gausemeier|Anja.Czaja|Christian.Dülme}@hni.upb.de Zusammenfassung Mehr denn je wird die rasante Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnik den Maschinenbau und verwandte Branchen prägen. Es zeichnen sich Erzeugnisse und Geschäftsprozesse mit einer inhärenten Teilintelligenz ab, die über das Internet kommunizieren und ggf. kooperieren. Dafür steht der Begriff Cyber-Physical Systems (CPS). Die Ausprägung von CPS auf die industrielle Wertschöpfung wird als Industrie 4.0 bezeichnet. Offenbar eröffnen sich aus Industrie 4.0 faszinierende Möglichkeiten. Dabei darf aber nicht übersehen werden, dass der Einsatz geballter Informations- und Kommunikationstechnik am Ende einer wohlstrukturierten Handlungskette stehen muss, die in erster Linie durch die Notwendigkeit der strategischen Unternehmensführung bestimmt sein muss. In diesem Sinne zeigt der Beitrag, wie die Erfolgspotentiale der Zukunft frühzeitig erkannt werden und wie erfolgversprechende Geschäftsmodelle entstehen können. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Systematik der Produktentstehung. Diese verdeutlicht, dass Produkt-, Dienstleistungs- und Produktionssystementwicklung integrativ zu erfolgen haben und diese wiederum im engen Wechselspiel mit der strategischen Planung vorzunehmen sind. Für diese neue Art der Entwicklung von Marktleistungen, muss ein neuer Ansatz der Entwicklungsmethodik gewählt werden, weil die heute etablierten Entwicklungsmethodiken fachgebietszentriert sind und die Integration der beteiligten Fachgebiete wie Mechanik, Elektrotechnik/Elektronik und Softwaretechnik nicht unterstützen. Systems Engineering ist der von uns propagierte Ansatz. Wir zeigen, wie auf der Basis von digitalen Modellen der zu entwickelnden Objekte im Zeitalter von Cyber-Physical Systems intelligente Produkte und Produktionssysteme erfolgreich entwickelt werden können. Schlüsselworte Intelligente Technische Systeme, Cyber-Physical Systems, Industrie 4.0, Produktentstehung, Systems Engineering, Virtualisierung, Szenarien, Unternehmensführung, Geschäftsstrategien, Geschäftsmodelle Seite 12 Gausemeier, Czaja, Dülme Innovation Potential on the Way to Industrie 4.0 Abstract The fast development of information and communication technology will influence machines construction and manufacturing engineering, as well as the related industries more than ever. There will be products and business processes with inherent intelligence, which communicate and cooperate through the internet. The term Cyber-Physical Systems (CPS) stands for this direction. The particular aspect of Cyber-Physical Systems (CPS), which focuses on the added industrial value, is called Industrie 4.0. Obviously, Industrie 4.0 allows fascinating opportunities. In this context, it should be borne in mind that for the application of information and communication technology a wellstructured chain of actions is necessary, which first and foremost has to be based on the strategic business management. In this regard, this paper presents how to early detect success potential and to deduce promising business models. Another focus lies on the systematic of product development. This illustrates that product, service, and production systems have to be developed interactively and closely related to the strategic planning. Therefore, a new development approach is necessary; the established development approaches only focus on one discipline and do not support the integration of mechanics, electronics, and software fields. Systems engineering (SE) is an approach that has a potential to fulfill these requirements. We show how to successfully develop intelligent products and production systems based on virtual system models. Keywords intelligent technical systems, cyber-physical systems, Industrie 4.0, product engineering, systems engineering, virtualization, scenarios, business management, business strategy, business models Inno v heiß t auft r     Im f o 2 Indu ken n Tec h und eine m [GP 1 zu u n Indu neh m tern a den u B ild Das han d Ein fl fluss Die E v ationspotenti a t , dass Deu t r itt. Vor die s Welche markt w Wo lieg e Auf wel c Wie mu morgen e o lgenden K Erfolgs strie 4.0 e r n en, sind d h nik ist das nachvollzi e m komplex e 1 4]. Bei de r n terscheid e strie 4.0 i n m en nicht l e a tiver Gest a u nd Untern e 7: Umfel d Vorgehen b d des Beispi fl ussfaktor e bereiche R E influssber e a le auf dem W t schland so w s em Hinter g Rahmenbe d w erden kan n e n die Mär k c he Mitbe w ss sich die e rfolgreich apitel vers u potenti a r öffnet eine d ie Grenze n dafür geei g e hbare Bes c e n Netz vo r Voraussc h e n (siehe B i n Deutschla n e nkbare U m a ltungsmög l e hmen beei n d Deutschla n b ei der Sze n els Industri e n identifi z R ahmenbedi n e iche diene n W eg zu Indust r w ohl Leit m g rund stell e d ingen mü s n ? k te für die L w erber wird Leitanbiet e zu sein? u chen wir d e a le der Z u Vielzahl v n des gew o g nete Denk z c hreibung e n Auspräg u h au ist zwi s i ld 7). Das n d. Es ent h m feldgröße n l ichkeiten v n flussbare L n d und Ges n ario-Erste l e 4.0 erläut e z ieren (Sc h n gungen, T n als Such fe r ie 4.0 m arkt ist als e n sich die f s sen gege b L eitanbiete r die deutsc h e rindustrie e rartige Fr a u kunft e r v on Marktl e o hnten De n z eug. Ein S e iner mögli c u ngen (Pro j s chen dem Szenariof e h ält aussch l n . Das Ges t v on Industr i L enkungsg r s taltungsfel d l lung umfa s ert werden. h ritt 1): Hi e T echnologi e fe lder zur I d auch als L f olgenden S en sein, d a r industrie u h e Leitanbi e entwickel n a gen zu bea n r kennen e istungsinn o n kens zu ü z enario ist e c hen Situat j ektionen) v Szenariofe l e ld umfasst l ießlich ex t t altungsfel d i e 4.0; Bas i r ößen. d Industrie 4 s st fünf Sc h e rzu wird d e , Mensch u d entifikatio n eitanbieter c hlüsselfra g a mit Deuts c u nd was fo r e terindustri e , um auf d n tworten. o vationen. U ü berwinde n e ine allge m i on in der Z v on Einflus l d und de m das zukün f erne, von e d dient der i s sind von 4 .0 h ritte, die i m d as Szenari o u nd Organi n von Einfl u S für Industr i g en: c hland ein r dern diese ? e stoßen? d en Märkte n U m diese z n . Die Sze n m einverstän d Zukunft, d i s sfaktoren b m Gestaltun g f tige Umfe l e inzelnen U Voraussch a Politik, V e m Folgend e o feld in di e i sation unt e u ssfaktoren . eite 19 i e 4.0 Leit- ? n von z u ern ariod liche i e auf b eruht g sfeld l d für U nter- a u al- e rbän- e n a n- e Ein- e rteilt. . Dies Seite 20 Gausemeier, Czaja, Dülme führt zu 61 Einflussfaktoren. Beispiele für Einflussfaktoren sind Selbstbestimmung, Struktur der Arbeit oder Durchdringung mit IKT:  Selbstbestimmung: Selbstbestimmung bedeutet nach freiem Willen über sein Leben entscheiden zu können und setzt daher voraus, dass der Mensch sich über seine eigenen Ziele im Klaren ist. Es gibt zwei psychologische Ausprägungen: Der Mensch ist mit festen Vorgaben und damit einhergehender Entbindung von Entscheidungen zufrieden (z.B. aufgrund von Überforderung). Oder er will selbst entscheiden wann, wo und wie er arbeiten möchte. Im zweiten Fall erhöht selbstbestimmtes Arbeiten die Motivation und somit auch die Leistung.  Struktur der Arbeit: Hierunter wird die Verteilung von hoch und gering qualifizierten Tätigkeiten verstanden. Nach HIRSCH-KREINSEN kann Industrie 4.0 zu einer ausgeprägten Polarisierung der Arbeit führen. Viele Tätigkeiten würden demnach anspruchsvoller, zugleich würde es dort, wo sich Automatisierung nicht lohnt, einen hohen Anteil manueller Arbeit geben [Hir14].  Durchdringung mit IKT: Die Durchdringung der Arbeits- und Lebenswelt mit Informations- und Kommunikationstechnik wird zum einen durch die technische Entwicklung in diesem Bereich beeinflusst. Diese Entwicklungen stoßen oft weitere Innovationen in anderen Industriezweigen an und wirken daher als Befähiger (Enabler). Zum anderen spielen die Bereitschaft bzw. die Möglichkeit der Menschen, neue Informations- und Kommunikationstechnologien in ihren Alltag zu integrieren, eine große Rolle für deren Verbreitung. So kann die zunehmende Durchdringung mit Informations- und Kommunikationstechnik „als Segen“ oder „als Fluch“ empfunden werden. Schlüsselfaktoren ermitteln (Schritt 2): Aus der relativ großen Anzahl von Einflussfaktoren sind diejenigen zu ermitteln, die das Szenariofeld besonders prägen und einen besonders hohen Einfluss auf den Untersuchungsgegenstand ausüben. Dazu wird auf eine Einflussanalyse zur Betrachtung der direkten und indirekten Beziehung der Einflussfaktoren und eine Relevanzanalyse zur Ermittlung der Bedeutung der Einflussfaktoren für das Gestaltungsfeld zurückgegriffen. Hierdurch ergeben sich 20 Schlüsselfaktoren. Entwicklungsmöglichkeiten beschreiben (Schritt 3): Je Schlüsselfaktor werden mit einem vorgegebenen Zeithorizont (wie 2030) mehrere Entwicklungsmöglichkeiten (Projektionen) beschrieben. Die Erarbeitung von solchen alternativen Zukunftsbildern je Schlüsselfaktor ist der entscheidende Schritt der Szenario-Technik, weil damit die Bausteine für die späteren Szenarien geschaffen werden. Es gilt sowohl aus heutiger Sicht plausible, als auch extreme, aber vorstellbare Entwicklungen in Betracht zu ziehen. Bezogen auf den Schlüsselfaktor „Selbstbestimmung“ können drei Projektionen ermittelt werden (siehe Bild 8). Neben der eher wahrscheinlichen Entwicklung „Autonomie zählt“ sind auch die Projektionen „Stress vermeiden“ und „Trügerisches Bild der Innovationspotentiale auf dem Weg zu Industrie 4.0 Seite 21 Selbstbestimmung“ denkbar. Der Schlüsselfaktor „Durchdringung mit IKT“ weist drei Projektionen auf (siehe Bild 9). Bild 8: Projektionen für den Schlüsselfaktor „Selbstbestimmung“ Bild 9: Projektionen für den Schlüsselfaktor „Durchdringung mit IKT“ Die psychische Belastung der Beschäftigten steigt kontinuierlich. Neue Entscheidungsfreiräume sind Fluch und Segen zugleich. Sie ermöglichen den Menschen sich selbst zu verwirklichen, führen oftmals aber auch zur Überlastung. Die Zahl der Burn-out-Erkrankten in Deutschland steigt seit Jahren. Arbeitsverhältnisse, die mit weniger Engagement und Verantwortung verbunden sind, finden hohen Zuspruch. Viele trennen strikt Arbeit und Freizeit. Es herrscht die Haltung vor, andere unternehmen zu lassen und sich darauf zu beschränken, zu definieren, wie das für einen selbst eingerichtet sein muss, um angenehm zu sein. 1B Stress vermeiden 1A Autonomie zählt Die Menschen in Deutschland haben nahezu in allen Bereichen des Erwerbslebens so viele Möglichkeiten ihr Leben zu gestalten wie nie zuvor. Bildung, Wohnort, Beruf u.v.m. sind variable Größen, die nicht länger durch die Herkunft determiniert sind. Die neuen Freiheiten haben gravierende Auswirkungen auf die Lebensentwürfe der Menschen. Arbeitnehmer verlangen Verantwortung und Entscheidungsspielräume. Industrie 4.0 hat hier neue Perspektiven eröffnet. Der Umfang der Entfaltungsmöglichkeiten bestimmt die Auswahl des Arbeitsverhältnisses. Leistungsfähige Assistenzsysteme unterstützten die Beschäftigten in nahezu allen Bereichen der Wirtschaft. Sie liefern vielfältige Informationen, nehmen Diagnosen vor und unterbreiten Vorschläge für Handlungen. Auf dem ersten Blick sind die Benutzer der Assistenzsysteme Entscheider. Bei näherem Hinsehen sind es Getriebene; gut organisierte Leistungserstellungsprozesse und die damit verbundenen Assistenzsysteme geben den Takt vor. Die Beschäftigten sind häufig Marionetten der Algorithmen. 1C Trügerisches Bild der Selbstbestimmung Die täglich produzierte Datenmenge erlangt neue Ausmaße. Viele sehen darin ungeahnte Möglichkeiten. Die ungeheure Fülle an Daten erweist sich wie von vielen vorhergesagt als das Gold des 21. Jahrhunderts. Doch die freie Verfügbarkeit von Daten ist trügerisch. Nur wenigen gelingt es, die technologischen Möglichkeiten zu nutzen und aus Daten Informationen zu generieren: Es bilden sich Informationseliten. Diese beherrschen die Algorithmen und ziehen konsequent Nutzen aus den Daten. Offensichtlich herrscht kein Mangel an Informationen; aber die Menschen fühlen sich nicht informiert. 8B Informationseliten 8A Maximal vernetzte Welt Die rapide Durchdringung der Arbeits- und Freizeitwelt mit Informations- und Kommunikationstechnik hat in den vergangenen Jahren weiter zugenommen. Jeder hat immer und überall Zugriff auf Informationen und Dienste. Der Einsatz semantischer Technologien ermöglicht eine effiziente Bewältigung der Fülle von verfügbaren Informationen. Durchgesetzt haben sich vor allem intuitiv zu bedienende Systeme. Die Faszination der neuen Möglichkeiten blendet die Menschen: Sicherheitsrisiken, wie die Weitergabe sensibler Daten, werden verdrängt. Es herrscht ein Widerspruch zwischen der theoretischen Wertschätzung und der gelebten Achtlosigkeit im Umgang mit der eigenen Privatsphäre. Der IKT-Hype der Freizeitwelt hat keinen Einzug in die Produktion gefunden. Die notwendigen hohen Anforderungen an die Verlässlichkeit der IT-Systeme werden nicht erfüllt. Die erwarteten Effizienzsteigerungen sind ausgeblieben. Auch im Privatleben ändert sich der Umgang mit IKT. Die Skepsis gegenüber IKT nimmt stark zu, weil die Folgen des „lockeren“ Umgangs nun allmählich sichtbar werden. Menschen sehen sich mit der totalen Transparenz konfrontiert und streben nach Privatheit. Privatheit bedeutet die Fähigkeit, seine Sichtbarkeit im Netz selbst definieren und regulieren zu können. 8C IT-Frustration Seite Kon s Gla u der e tung . zun g wert u tion e nich t tion e kön n B ild Auf kons b esti sen. tera n fasst visu a gest e kun ft jekti o posi t ähnl i von e 22 sistente Z u u bwürdigke i e inzelnen P r . Der Bew e g (5) bis zu r u ng der Fa k e n „Inform a t gemeinsa m e n „Inform a n en gut in e i 10: .Paar w Basis der istente Zu k i mmt; das s i Sie besteh e n alyse wer d . Die Erge b a lisiert. Hi e e llt. Es ent ft srau m -Ma p o nsbündel z t ioniert we r i che Bünd e e inander e n u kunftsbil d i t von Zuk u r ojektionen e rtungsbere i r totalen In k k toren „Du r a tionseliten “ m in einem a tionseliten “ i nem in sic h w eise Bewe r ausgefüllte n k unftsbilde r i nd Kombi n e n je Schlü s d en die ko n b nisse der C e r werden d steht eine p pings ist d z wei Koor d r den könne n e l möglichs n tfernt lieg e d er (Szena r u nftsbilder n zueinande r i ch erstrec k k onsistenz ( r chdringun g “ und „Aut o Szenario v o “ und „Tr ü h schlüssig e tung der K o n Konsiste n r ermittelt. n ationen vo s selfaktor a u n sistenteste n C lusteranal y d ie verschie „ Landkarte d ie Multidi m d inatenwert e n . Dabei w t dicht bei e e n. In eine r ien) ermi t n ist die Ko r . Basis da fü k t sich von 1). Bild 10 g mit IKT“ o nomie zä h o rkommen. ü gerisches B e n Szenario o nsistenz v o n zmatrix w Zunächst w o n Projektio u s genau ei n n Projekti o y se werden denen Proj e der Zuku n m ensionale e, so dass d w erden die P einander u n e r derartige n t teln (Schr i nsistenz, d . ü r ist eine p einer stark e zeigt das B und „Selb s lt“ sind in k Dagegen b B ild der S e vorkomme o n Zukunfts p w erden mit h w erden ko n nen, die be s n er Projekt i o nsbündel z mit dem s o e ktionsbün d n ft“. Bevo r Skalierun g d ie Projekt i P rojektions b n d unähnli c n Graphik Gause m i tt 4): Ents c h. die Wid e p aarweise K e n gegense i B eispiel ein e s tbestimmu n k onsistent u n b egünstige n e lbstbestim m n . p rojektione n h ilfe der S c n sistente P r s onders gu t i on. Im Ra h z u Szenari e o g. Zukun ft d el in eine r r zugtes Ins t g (MDS). S i onsbündel b ündel so p c he Bünde l zeigen si c m eier, Czaja, D cheidend f ü erspruchsf r K onsistenzb itigen Unt e e r Konsiste n g“. Die P r n d können n sich die P r m ung“ star k n c enario-So f rojektionsb t zueinande r h men einer e n zusam m f tsrau m -Ma p r Hilfseben e t rument de s S ie liefert j e auf einer E p ositioniert , l möglichs t c h Szenari e D ülme ü r die r eiheit e wer- e rstütnzbe- r ojekdaher r ojekk ; sie f tware ü ndel r pas- Clus- engep ping e dars Zu- e P r o- E bene , dass t weit e n als Innovationspotentiale auf dem Weg zu Industrie 4.0 Seite 23 „Bündel-Gruppen“. Für das betrachtete Beispiel führt das zu vier Umfeldszenarien (siehe Bild 11). Bild 11: Visualisierung der Szenarien mittels multidimensionaler Skalierung Szenarien „in Prosa“ beschreiben (Schritt 5): Entscheidend für den Erfolg der Szenarien ist, dass sie nachvollziehbar, verständlich und leicht kommunizierbar sind. Bei der Beschreibung der Szenarien „in Prosa“ wird auf die Textbausteine zurückgegriffen, die im Zuge der Bildung der Zukunftsprojektionen formuliert worden sind. Nachfolgend sind beispielhaft die Management-Summaries von Szenario 1 und Szenario 4 angeführt. Szenario 1: „Balance von Mensch, Technik und Staat als Basis für den Erfolg“  Die Menschen leben bewusst und gesund. Die Technik entlastet und unterstützt die Menschen.  Die Digitalisierung hat Aus- und Weiterbildung stark verändert; Lehre und Lernen erfolgt überwiegend orts- und zeitungebunden; Massive Open Online Courses setzen sich durch. Die Zahl der Lehrenden ist erheblich gesunken.  Der Staat engagiert sich wirksam, wenngleich es Tendenzen gibt, das Engagement des Staates zurückzufahren. Die Forschungsförderung ist sehr erfolgreich. Die seit Jahren erfolgreich praktizierte Sozialpartnerschaft steht unter Druck; die Liberalisierung des Arbeitsrechts schreitet voran.  Die Möglichkeiten der Informations- und Kommunikationstechnik werden genutzt, um innovative Konzepte einer „Teaching & Learning“ Factory zu realisieren. Im Fokus steht die Unterstützung der Tätigkeiten durch Assistenzsysteme. Szenario 1 „Balance von Mensch, Technik und Staat als Basis für den Erfolg“ Szenario 2 „Konsequente Digitalisierung, technikzentrierte Arbeitswelt“ Szenario 4 „Digitalisierung global und fremdbestimmt“ Szenario 3 „Die Digitalisierung bleibt in vielen Barrieren stecken“ Eine Kugel ist ein konsistentes Projektionsbündel, es enthält von jedem Schlüsselfaktor genau eine Projektion. Ähnliche Bündel werden mit Hilfe einer Clusteranalyse zusammengefasst. Seite 24 Gausemeier, Czaja, Dülme Es ist eine De-Polarisierung der Struktur der Arbeit zu verzeichnen. Die Löhne gleichen sich global tendenziell an. Die soziale Ungleichheit hat abgenommen.  Es haben sich länderunabhängige Wirtschaftszonen etabliert. Der Einfluss der Internetgiganten auf Wirtschaft und Gesellschaft liegt deutlich unter den Befürchtungen. Die Bürger und Bürgerinnen legen größten Wert darauf, über ihre Daten zu bestimmen. Vielfalt hat sich durchgesetzt.  Die digitale Vernetzung der Welt ist hoch. Agile Allianzen prägen die Wertschöpfungsnetzwerke.  Die Innovationsdynamik ist hoch: Open Source ist sehr verbreitet; Patente verlieren an Bedeutung. Offene Standards setzen sich durch.  Die Migrationseffizienz ist hoch: Ältere Maschinen und Anlagen können durch innovative Upgrade-Technologien ohne großen Aufwand in das Digitalisierungszeitalter überführt werden. Die Benutzungsfreundlichkeit ist hoch und die IT-Sicherheit gewährleistet.  Das Umweltbewusstsein ist stark ausgeprägt. Die Kreislaufwirtschaft hat sich durchgesetzt; Güter werden lokal produziert. Szenario 4: „Digitalisierung global und fremdbestimmt“  Die Technikzentrierung prägt die Arbeitswelt; die Maschinen geben den Takt vor; die Menschen sind teils Marionetten der Algorithmen.  Die Digitalisierung hat Aus- und Weiterbildung verändert; Lehre und Lernen erfolgt vermehrt orts- und zeitungebunden. In vielen Bereichen wird weiterhin auf die bewährten Konzepte zurückgegriffen; der menschliche Kontakt und das Mentoring zählen nach wie vor.  Der Staat hat sich aus vielen Bereichen zurückgezogen. Die Liberalisierung des Arbeitsrechts schreitet voran. Auch die Forschungsförderung wurde reduziert, was zur Zweitklassigkeit der Forschungslandschaft geführt hat; Spitzenforscher sind in die Wirtschaft abgewandert.  Hochflexible Automatisierung ist gang und gäbe. Nur ein relativ kleiner Teil an Aufgaben ist anspruchsvoller geworden; hier wurde der Bediener zum Entscheider. Einfache Tätigkeiten in der Produktion sind teilweise entfallen. Die Löhne gleichen sich auf eher niedrigem Niveau global tendenziell an.  Die vergangenen Wirtschaftskrisen haben die Währungs- und Wirtschaftsräume auf die Probe gestellt. Dadurch sind die jeweiligen Länder enger zusammengewachsen. Getrieben durch die fortschreitende Digitalisierung und die Verbreitung von virtuellen Währungen (Bitcoins) entstehen auch unabhängig von den Grenzen der Nationalstaaten Wirtschaftsräume. Der Einfluss der Internetgiganten hat ungeahnte Ausmaße erlangt. Innovationspotentiale auf dem Weg zu Industrie 4.0 Seite 25  Es haben sich zwei Klassen von Kooperationspartnern entwickelt: Relativ wenige kreative Gestalter und viele austauschbare Ausführer. Diese Entwicklung wird durch die Bildung von Informationseliten forciert. Diesen gelingt es, die technologischen Möglichkeiten zu nutzen und aus Daten Informationen und Wissen zu generieren.  Die Standardisierung kommt nicht voran, weil die führenden Industrienationen sich primär durch Eigeninteresse leiten lassen. Nur selten setzen sich Standards durch. Angesichts von vereinzeltem Wildwuchs und hohen Engineeringaufwänden in der Automatisierung bevorzugt ein großer Teil der Anwender Produkte der dominierenden Anbieter; selbst wenn diese nicht innovativ und teuer sind; aber man weiß, was man erhält. Vor diesem Hintergrund gibt es Bestrebungen, das Patentwesen zu rationalisieren und global zu organisieren.  In ausgewählten Bereichen ermöglicht die dynamische Entwicklung der IKT technische Systeme mit einer inhärenten Teilintelligenz. Oft wird die Komplexität der Technik nicht beherrscht. Digitalisierung und Automatisierung sind mit viel Aufwand verbunden. In der Bevölkerung und der Wirtschaft fehlt ein Sicherheitsbewusstsein.  Das Umweltbewusstsein ist gering; die Kreislaufwirtschaft bleibt unter „ferner liefen“. Der Güterverkehr führt zum Dauerstau auf der Straße; nur zaghaft wird in den Ausbau des intelligenten Güterverkehrs investiert. Darüber hinaus empfiehlt sich die bildliche Darstellung der Szenarien in Form von so genannten Pictures of the Future oder Collagen. Für eine Collage wird jede Projektion mit einem treffenden Bild versehen. Anschließend werden die Bilder entsprechend der in einem Szenario auftretenden Projektionen zusammengeführt. Bild 12 zeigt beispielhaft die Collage des Szenarios 1. Seite B ild Zur A Mar k Aus w das Deu t als R Bei d rie 4 Wer t    26 12: Szena r A uswahl e k tleistung w w irkungen a Szenario 1 t schlan d mi R eferenzsze n d er Erstell u .0 führt di e t schöpfung s Innovat Organis a Forschu n nander a der tech n Wertsc h Wertver s Kombin a ten in ei n Produk t und die Regeln z r io 1 „Bala n e ines Refe r w erden die a uf den Pr o eine star k t sich b rin g n ario ausge u ng der Ge s e s zu 18 G e s konzeptio n ionss y ste m a tionen un d n gseinricht u a n der Ersc h n ologische n h öpfun g sk o s prechen g e a tion von u n n em Werts c t ionsarchi t Schnittstel l z ur Gestalt u n ce von M e enzszenar i Szenarien a o duktions- u k e Verände g t und eine h w ählt. s taltun g sf e e staltungsfa k n und die P r m : Unter ei n d Institutio n u ngen – v e h affung, V e n Wissens b o nzeption: e genüber d e n ternehme n c höpfungsn e ektur: In l en, der St a u ng der Pro d e nsch, T ech n i os als Aus a nhand ihr e u nd Wirtsc h e rung des P h ohe Eintri t e ld-Szenari k toren. Bei r oduktionsa r n em Innov n en – vor a e rstanden, d e rbreitung u b eteiligt sin d Das Wert s e m Kunde n n sinternen u e tzwerk W e der Produ k a ndardisier u d uktion fes t n ik und Sta a g angspunk t e r Eintritts w h aftsstando r P roduktion s t tswahrsch e en wird a n spiele sind r chitektur: ationssyste m a llem Unte r d ie einzeln u nd Anwe n d [DIW14- o s chöpfungs k n erfüllt wi r u nd externe n e rt geschaf f k tionsarchi t u ngs- und F t gelegt [TS 1 Gause m a t als Basis t für die E n w ahrscheinl i r t Deutschl a s - und Wir t e inlichkeit a alog verfa h das Innov a m wird di e r nehmen, U oder in K o n dung wiss e o l]. k onzept d e r d, das hei ß n Ressourc e f en wird [B R t ektur wer d F lexibilisie r 1 3]. m eier, Czaja, D f ür den Er f n twicklung i chkeit un d a nd bewert e r tschaftssta n a ufweist, w h ren. Für I n a tionssyste m e Gesamth e U niversitäte n o operation m e nschaftlic h e finiert, wi e ß t, wie dur c e n und Fäh i R 11]. d en die St r r ungsgrad s D ülme f olg “ einer ihrer e t. Da n dorts ird es n dustm , die e it an n und m iteih en o- e das c h die i gkeir uktur s owie Innovationspotentiale auf dem Weg zu Industrie 4.0 Seite 27 Für die Gestaltungsfaktoren wurden mögliche Ausprägungen ermittelt. Bild 13 zeigt beispielhaft die Ausprägungen für den Gestaltungsfaktor „Wertschöpfungskonzeption“. Bild 13: Ausprägungen des Gestaltungsfaktors „Wertschöpfungskonzeption“ Die Ausprägungen der Gestaltungsfaktoren wurden paarweise auf ihre Verträglichkeit bewertet. Basierend auf der Konsistenzmatrix ergeben sich drei Gestaltungsfeldszenarien, die folgende Titel erhalten: 1) „Ausgeprägte Interoperabilität“, 2) „Verlässlichkeit im Fokus“ und 3) „Fortsetzung der Offline-Produktion“. Die entsprechenden Konzepte zur Gestaltung von Industrie 4.0 sind in Relation zu den ermittelten Entwicklungen des Umfelds zu setzen. Die zugrundeliegende Fragestellung lautet: Welche Kombinationen von Gestaltungs- und Umfeldszenarien passen gut zueinander? Die Bewertungsskala reicht von ++ (sehr hohe Konsistenz) bis -- (sehr hohe Inkonsistenz). Sehr hohe Konsistenz bedeutet, dass das Gestaltungsfeldszenario sehr gut in einem Umfeldszenario vorstellbar ist. Das Gegenteil ist der Fall, wenn die Gegenüberstellung mit einer sehr hohen Inkonsistenz bewertet wird. Hier ist das entsprechende Gestaltungsfeldszenario bei Eintreten des Umfeldszenarios nicht sinnvoll. Bild 14 zeigt die Gegenüberstellung der drei entwickelten Gestaltungsfeldszenarien in den Zeilen mit den vier Umfeldszenarien in den Spalten. Aus der Gegenüberstellung von Umfeld- und Gestaltungsfeldszenarien eröffnen sich für Unternehmen neue Perspektiven für ein attraktives Geschäft im Kontext von Industrie 4.0. Für ein Unternehmen, das auf der Suche nach einer neuen Marktleistung ist, ist das Gestaltungsfeldszenario von besonderer Relevanz, das eine hohe Konsistenz zum ausgewählten Referenzszenario (Szenario 1) aufweist, da dies der voraussichtlichen Handlung seines Kunden im Kontext von Industrie 4.0 entspricht. Im vorliegenden Fall trifft dies auf Gestaltungsfeldszenario 2 zu: „Verlässlichkeit im Fokus“ stellt für den Kunden eine konsistente Handlungsoption dar, falls das Referenzszenario eintritt. Die deutsche Industrie ist kreativer Gestalter und Umsetzer zugleich. Die klassische Produktorientierung wurde durch eine Nutzenorientierung abgelöst. Geschäftsmodellideen made in Germany sind Realität. Die Unternehmen verfügen über das notwendige Kapital sowie ein exzellentes Marketing. In Kombination mit den traditionellen Stärken den Bereichen FuE, Produktion etc. nehmen viele deutsche Unternehmen zentrale Rollen in den globalen Wertschöpfungsnetzen ein. 11C Ganzheitlicher Wertschöpfungsansatz Industrie 4.0 führt zu einer Renaissance von Deutschland als Produktionsstandort. Deutschland ist weltweit führend im Aufbau von vernetzten, intelligenten Fertigungssystemen. Dies ermöglicht Fertigungskosten auf bzw. sogar teilweise unter dem Niveau der Niedriglohnländer. 11B Intelligenter Produktionsdienstleister 11A Systemkopf Viele deutsche Unternehmen verfolgen die Wertschöpfungskonzeption „Systemkopf“: Sie konzentrieren sich auf Funktionen mit dem höchsten Differenzierungsgrad und damit Wertschöpfungspotential wie z.B. Forschung und Entwicklung, Design, Marketing und hochwertige Produktion. Sie organisieren von Deutschland aus global verteilte Wertschöpfungsnetze und lagern insbesondere Einfacharbeit aus. Seite 28 Gausemeier, Czaja, Dülme Nachfolgend wird das Vorgehen zur Ableitung einer strategischen Stoßrichtung zur Gestaltung des Geschäfts von morgen exemplarisch an der Marktleistung Schaltschrankbau erläutert. Wir versetzen uns in die Perspektive eines Komponentenlieferanten, der das Gestaltungsfeldszenario mit der Brille seines Kunden (Schaltschrankbauer) betrachtet. Die zugrundeliegende Fragestellung lautet demnach: Wie gestaltet der Schaltschrankbauer sein Geschäft im Lichte des Gestaltungsfeldszenarios 2? Bild 14: Ableitung von strategischen Stoßrichtungen Derzeit entfällt der mit Abstand größte Anteil an der Durchlaufzeit eines Schaltschranks auf die Montage, insbesondere auf die Verdrahtung und die Prüfung. Diese Aufgaben werden manuell durchgeführt und sind aufgrund ihrer hohen Komplexität sehr fehleranfällig. Eine Automatisierung ist in der Regel jedoch nicht wirtschaftlich. Die Zusammenarbeit der Wertschöpfungspartner wird derzeit durch Medienbrüche1 erschwert. Dies könnte sich im Lichte von Industrie 4.0 ändern (siehe Bild 15). Das Gestaltungsfeldszenario 2 „Verlässlichkeit im Fokus“ ermöglicht einem Komponentenlieferanten die Stoßrichtung Vorwärtsintegration, d.h. die Ergänzung seiner Marktleistung durch Dienstleistungen, die der Kunde bislang im Prinzip selbst durchgeführt hat. Eine solche Dienstleistung wäre eine AR2-basierte Montageunterstützung. Die entsprechende Wertschöpfungskette sähe wie folgt aus. 1 Unter einem Medienbruch wird der Wechsel zwischen verschiedenen Medien verstanden. Hierunter fällt insbesondere der Wechsel zwischen Papier und computerunterstützen Informationssystemen im Verlauf eines Geschäftsprozesses [All05]. 2 AR: Augmented Reality, computergenerierte Informationen (z.B. Darstellung des zu montierenden Bauteils) werden in das Sichtfeld des Monteurs eingeblendet. Gestaltungsoptionen Umfeldszenarien Szenario 1 Balance von Mensch, Technik und Staat als Basis für den Erfolg Szenario 2 Konsequente Digitalisie rung, technikzentrierte Arbeitswelt Szenario 3 Die Digitalisierung bleibt in vielen Barrieren stecken Szenario 1 Ausgeprägte Interoperabilität Szenario 2 Verlässlichkeit im Fokus Szenario 3 Fortsetzung der Offline-Produktion Szenario 4 Digitalisierung global und fremdbestimmt Referenzszenario sehr hohe Konsistenz neutral sehr hohe Inkonsistenz Innovationspotentiale auf dem Weg zu Industrie 4.0 Seite 35 werden. Die Systemspezifikation führt zu einem Systemmodell. Es bildet alle relevanten Aspekte ab und ermöglicht frühzeitig erste Analysen (z.B. der Zuverlässigkeit oder des dynamischen Verhaltens). Das Systemmodell bildet zudem den Ausgangspunkt für die fachdisziplinspezifische Entwurfs- und Ausarbeitungsphase. Es ist die Grundlage für die Kommunikation und Kooperation der involvierten Fachexperten über den gesamten Produktentwicklungsprozess und dient als Plattform für den Erhalt der Konsistenz aller im Zuge des Produktentwicklungsprozesses entstehenden Partialmodelle bzw. Dokumente. Bild 20: Zentrale Herausforderung: Eine neue Spezifikationstechnik zur frühzeitigen fachgebietsübergreifenden Modellierung des Systementwurfs eines komplexen multidisziplinären Systems Die Spezifikationstechnik CONSENS – „CONceptual design Specification technique for the ENgineering of complex Systems“ gliedert sich in zehn Aspekte, die jeweils rechnerintern als Partialmodelle repräsentiert werden und zusammen ein System kohärenter Partialmodelle bilden (Bild 21) [GRS14], [GLL12]. Mit Hilfe dieser Aspekte werden sämtliche Gesichtspunkte des Systems berücksichtigt und allgemeinverständlich beschrieben. Die Aspekte Umfeld, Anwendungsszenarien, Anforderungen, Funktionen, Wirkstruktur, Gestalt und Verhalten beschreiben die Konzeption des Produkts; die Aspekte Prozesse, Ressourcen und Gestalt (PS) beschreiben die Konzeption des zugehörigen Produktionssystems. Die Aspekte der Spezifikationstechnik werden im Folgenden näher erläutert [GFD+09]. Systementwurf Disziplinspezifischer Entwurf Systemintegration Anforderungen an Produkt und Produktionssystem Zunehmende Konkretisierung Elektronik Regelungstechnik Komponente A Komponente B Softwaretechnik Mechanik Arbeitsplanung G RS (s) G M (s) Handlungsfeld Fachgebietsübergreifende Modellierung des Systementwurfs Verifiziertes Gesamtsystem von Produkt und Produktionssystem Seite 36 Gausemeier, Czaja, Dülme Bild 21: Aspekte zur fachgebietsübergreifenden Beschreibung der Konzeption eines multidisziplinären Produkts und des entsprechenden Produktionssystems Beschleunigen Bremsen ohne Unterstützung mit Unterstützung Fahrer bewegen Bohrmaschine Schweißautomat Endmontage CNC- Zentrum Alurohr Schneiden Oberrohr Alurohr Schweißen Sitzrohr Rahmen schweißen Rahmen Unterrohr Economic Modus Touring Modus Sport Modus Motormoment / Trittmoment [%] Geschwindigkeit v / km/h 15 20 Legende 510 25 100 200 300 4 1 2 3 4 City Modus 3 2 1 Fahren mit Tretunterstützung Pedelec steht Fahren ohne Tretunterstützung f > 0 s tritt v = 0 km/h v = 0 km/h v < 25 km/h _ f = 0 s tritt -1 v > 25 km/h U < U Akku min Pedelec Benutzer Umgebung HMI Werkstatt beeinflusst Kraft Modus liest aus Akku Steuerung Rahmen Vorderrad Hinterrad Gabel Lenker 2 3 2.1 3.1 2.2 3.2 2.3 3.3 2.4 Produktionssystemkonzeption (kohärentes System von Partialmodellen) Gestalt (Produkt) Funktionen Wirkstruktur Prozesse Gestalt (PS) Anwendungsszenarien Verhalten Umfeld Ressourcen Produktkonzeption (kohärentes System von Partialmodellen) PS: Produktionssystem Anforderungen Geometrie Fertigung Automatisierungsgrad: >60% Ausbringungsmenge: 5.000 p.a. Herstellkosten (max): 1.500 € Sattelhöhe: 200 mm Radgröße: 28 zoll Rahmengröße: 500 mm Radstand: 120 mm Innovationspotentiale auf dem Weg zu Industrie 4.0 Seite 37 Umfeld: Das System wird zu Beginn als „Black Box“ in seinem Umfeld abgebildet. Alle Einflüsse, die auf das System wirken sowie Systemelemente des Umfelds, die in Wechselwirkung mit dem System stehen, werden modelliert. Anwendungsszenarien: Sie beschreiben eine situationsspezifische Sicht auf das in der Systemkonzipierung beschriebene System und das Systemverhalten. Sie bestehen aus einem Steckbrief und verweisen auf alle für das Szenario relevanten Elemente der Systemkonzeption. Anforderungen: Das Partialmodell umfasst eine strukturierte Sammlung aller Anforderungen an das zu entwickelnde Produkt. In den Entwicklungsphasen Konzipierung und Konkretisierung sind diese Anforderungen umzusetzen. Jede Anforderung wird textuell beschrieben. Quantifizierbare Anforderungen werden durch Attribute und deren Ausprägungen konkretisiert. Hilfestellung beim Aufstellen von Anforderungslisten geben Checklisten [PBF+07], [Rot01]. Funktionen: Dieser Aspekt beinhaltet eine hierarchische Aufgliederung der Funktionalität des Systems. Eine Funktion ist der allgemeine und gewollte Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen mit dem Ziel, eine Aufgabe zu erfüllen. Funktionen werden durch Lösungsmuster bzw. deren Konkretisierungen realisiert. Eine Untergliederung in Subfunktionen erfolgt so lange, bis zu den Funktionen sinnvolle Lösungsmuster gefunden werden. Wirkstruktur: In der Wirkstruktur werden die Systemelemente, deren Merkmale sowie die Beziehungen der Systemelemente zueinander beschrieben. Ziel ist die Abbildung des grundsätzlichen Aufbaus und der prinzipiellen Wirkungsweise des Systems. Systemelemente repräsentieren Systeme, Module, Bauteile oder Software- Komponenten. Stoff-, Energie- und Informationsflüsse sowie logische Beziehungen beschreiben die Wechselwirkungen zwischen den Systemelementen. Gestalt (Produkt): Bereits in der Konzipierung sind erste Festlegungen der Gestalt des Systems vorzunehmen. Sie sind ebenfalls Teil der Prinziplösung. Der Aspekt umfasst Angaben über Anzahl, Form, Lage, Anordnung und Art der Wirkflächen und Wirkorte des Systems. Des Weiteren können Hüllflächen und Stützstrukturen beschrieben werden. Die rechnerunterstützte Modellierung erfolgt mit Hilfe gängiger 3D-CAD- Systeme. Verhalten: Bei der Spezifikation von mechatronischen Systemen spielen die Modellierung von Aktivitäten, Zuständen und Zustandsübergängen sowie die Auswirkung auf die Wirkstruktur eine wesentliche Rolle. Diese Art der Modellierung erfolgt im Partialmodell Verhalten. Prozesse: Die Wirkstruktur und erste Gestaltinformationen dienen dazu, das Produktkonzept in eine gestaltorientierte Struktur zu überführen. Hierdurch werden die zu fertigenden Bestandteile der Wirkstruktur identifiziert. Dies sind die gestaltbehafteten Systemelemente wie Module, Bauteile und Baugruppen. Anschließend werden im Partial- Seite 38 Gausemeier, Czaja, Dülme modell Prozesse eine erste Montage- und Fertigungsreihenfolge ermittelt. Diese werden mit Hilfe von Prozessen und Materialelementen spezifiziert. Die Prozesse beschreiben den Produktionsablauf als eine Folge von Arbeitsvorgängen. Diese beinhaltet sowohl Herstellungs-, Montageals auch Transportvorgänge. Ressourcen: Die Prozesse beschreiben die durchzuführenden Arbeitsschritte betriebsmittelunabhängig. Die Durchführung der einzelnen Prozesse erfolgt durch Ressourcen. Als Ressourcen werden alle benötigten Sachmittel sowie das Personal bezeichnet [DIN69901]. Die Ressourcen werden den Prozessen zugeordnet, wobei es möglich ist, dass eine Ressource mehrere Prozesse ausführt. Ressourcen sind durch Materialflüsse miteinander verbunden. Die einzelnen Ressourcen werden durch Parameter und Gestaltinformationen konkretisiert. Gestalt (Produktionssystem): Analog zur Produktentwicklung werden bereits während der Konzipierung des Produktionssystems erste Festlegungen zu seiner Gestalt getroffen. Unter Gestalt verstehen wir Arbeitsräume und Platzbedarf von Maschinen oder Wirkflächen von Handhabungseinrichtungen. Diese Informationen werden in Form von Flächenbedarfen, Skizzen oder 3D-CAD-Modellen gespeichert und den Ressourcen zugewiesen. Virtualisierung in der Produktentwicklung Neben der integrativen und interdisziplinären Zusammenarbeit der beteiligten Fachexperten spielt die durchgängige Virtualisierung eine wichtige Rolle im Entwicklungsprozess. Durchgängige Virtualisierung bedeutet die Bildung und Analyse von rechnerinternen Modellen verschiedener Detaillierungs- und Konkretisierungsstufen über den gesamten Prozess des Produkt- und Produktionssystementwicklung. Bild 22 verortet verschiedene Aspekte der virtuellen modellbasierten Entwicklung im Entwicklungsprozess anhand des V-Modells der VDI-Richtlinie 2206. Ausgangspunkt ist die fachgebietsübergreifende Systemspezifikation. Zur rechnerunterstützten Modellierung der Systemkonzeption mit CONSENS existiert das Software-Werkzeug Mechatronic Modeller [GLL12]. Außerdem kann eine rechnerinterne Abbildung des Systemmodells mit CONSENS durch verschiedene UML /SySML -Werkzeuge erfolgen. Hierfür wurde exemplarisch ein SysML4CONSENS-Profil für den Sparx Enterprise Architect (EA) erarbeitet, welches eine CONSENS-konforme Modellierung ermöglicht. Das methodische Vorgehen von CONSENS wurde so mit der Modellierungssprache SysML und dem Softwarewerkzeug Enterprise Architect kombiniert [IKD13]. Auf Basis der modellbasierten Systemspezifikation können erste Simulationsmodelle zur frühzeitigen Analyse auf Systemebene abgeleitet und entsprechende Simulationen durchgeführt werden; z.B. die integrierte Dynamikanalyse zur frühzeitigen Analyse des dynamischen Systemverhaltens auf Basis von Modelica-Modellen [GTS14]. Die Ergebnisse können dann wiederum in die Systemspezifikation zurückgespiegelt werden. Innovationspotentiale auf dem Weg zu Industrie 4.0 Seite 39 Bild 22: Das V-Modell als Basis für Modellierung und Analyse Ausgehend von der fachgebietsübergreifenden Systemspezifikation erfolgt die fachgebietsspezifische Konkretisierung des Systems. Dafür werden die etablierten Werkzeuge wie 3D-CAD und E-CAD-Systeme eingesetzt. Visuelle Analysen: Im Zuge der Konkretisierung kann die Technologie Virtual Reality (VR) zur Analyse und Bewertung virtueller Prototypen eingesetzt werden. Virtual Reality trägt dazu bei, virtuelle Prototypen erlebbar zu machen. Dies gilt insbesondere für die Gestalt und das Verhalten, wie die Kinematik eines Systems. Weitere Visualisierungstechniken ermöglichen es, VR-Modelle mit Simulationsdaten zu überlagern, sodass das visuell wahrgenommene Verhalten des Systems leicht nachvollziehbar wird [Was13]. Des Weiteren gibt es X-in-the-Loop Ansätze zum rechnerunterstützten Testen komplexer mechatronischer Systeme. Zur frühzeitigen Systemverifikation und -test der Softwareentwicklung können beispielsweise Model-in-the-Loop (MiL) und Software-in-the- Loop (SiL) Simulationen eingesetzt werden. Bei MiL Simulationen erfolgt eine Simulation des Gesamtsystems ausschließlich auf Basis von Modellen. Bei SiL Simulationen werden realisierte Softwarekomponenten (Regler ist im C-Code implementiert) in simulierten Umgebungen ausgeführt. Auf diese Weise können ihre Eigenschaften rein virtuell getestet werden. Zum Test weiterer Funktionen oder Hardwarekomponenten können mit Hilfe von Prüfständen auch Hardware-in-the-Loop (HiL) Simulationen durchgeführt werden, ohne einen vollständigen realen Prototyp realisieren zu müssen [GTS14]. Im Folgenden geben wir zwei Beispiele für das Leistungsvermögen der Virtualisierung der Produktentstehung. Es handelt sich zum einen um einen rekonfigurierbaren Fahrsi- Eigenschaftsabsicherung Fachdisziplinübergreifender Systementwurf Fachgebietsspezifischer Entwurf Elektrotechnik ... Modellbildung und -analyse Maschinenbau Anforderungen Produkt Systemintegration Integrative Beschreibung der Aspekte mit CONSENS 1. 2. Model-in-the-Loop (MIL) Software-in-the-Loop (SIL) Hardware-in-the-Loop (HIL) Systemtests Visuelle Analysen Fachgebietsspezifische Modellbildung und Simulaton Frühzeitige Analysen auf Basis des Systemmodells Seite 40 Gausemeier, Czaja, Dülme mulator, der es ermöglicht, Test- und Trainingsumgebungen für fortgeschrittene Fahrerassistenzsysteme rationell zu erzeugen, und zum anderen um die virtuelle Inbetriebnahme von Produktionssystemen. Entwicklung eines rekonfigurierbaren Fahrsimulators Fahrsimulatoren werden seit Jahrzehnten erfolgreich in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt. Sie unterscheiden sich weitgehend in ihrer Struktur, Genauigkeit, Komplexität und in ihren Kosten. In der Regel werden Fahrsimulatoren individuell für eine spezielle Aufgabe entwickelt und haben typischerweise eine festgelegte Struktur. In speziellen Anwendungsbereichen werden jedoch unterschiedliche Varianten eines Fahrsimulators benötigt. Es besteht daher Handlungsbedarf für die Entwicklung eines rekonfigurierbaren Fahrsimulators, der es dem Betreiber ermöglicht, ohne umfassende Fachkenntnisse einfach und schnell anwendungsspezifische Varianten eines Fahrsimulators zu erstellen. Die Entwicklung von rekonfigurierbaren mechatronischen Systemen, die überwiegend aus modularen Komponenten bestehen, beruht auf dem Prinzip des morphologischen Kastens. Zur Rekonfiguration eines bestehenden Fahrsimulators, entsteht die Notwendigkeit, eine Phase zwischen der Modellierungs- und Simulationsphase einzufügen (Bild 23). In dieser Phase kann der Fahrsimulator-Betreiber die gewünschten Komponenten in Form von Hardware-Komponenten und Softwaremodulen auswählen, um eine anwendungsspezifische Variante des Fahrsimulators zu konfigurieren. Beispiele für Hardware-Komponenten sind die Bewegungsplattform, das Visualisierungssystem oder Eingabegeräte. Beispiele für Softwaremodule sind das Fahrzeugmodell oder weitere Verkehrsmodelle. Die Hardware-Komponenten und Softwaremodule liegen in unterschiedlichen Ausprägungen in Form von Lösungselementen vor. Unterschiedliche Ausprägungen des Visualisierungssystems sind z.B. die Lösungselemente Rundprojektion, stereoskopischer Bildschirm oder ein tragbares Sichtsystem (engl. head mounted display). Beispiele für verschiedene Ausprägungen des Softwaremoduls zum Fahrzeugmodell sind unterschiedliche Modellierungstiefen der Lösungselemente, wie z.B. ein komplexes echtzeitfähiges Modell zur Fahrdynamik oder ein reduziertes 1-Spurmodell. Verschiedene Kombinationen der Lösungselemente führen zu den entsprechenden Fahrsimulatorvarianten [HBA+13]. Die Herausforderung dabei ist, dass die ausgewählten Lösungselemente, also die jeweiligen Ausprägungen der Hardware-Komponenten und der Softwaremodule, miteinander kombinierbar sein müssen. Dies erfordert kompatible Hard- und Softwareschnittstellen und einen zuverlässigen Kontrollmechanismus, um konsistente Konfigurationen des Systems zu erreichen. Hierfür wurde ein Konzept entwickelt, das die einzelnen Komponenten in eine gültige und funktionierende Simulatorkonfiguration überführt [Has14]. Innovationspotentiale auf dem Weg zu Industrie 4.0 Seite 41 Bild 23: Morphologischer Kasten als Basis für das Konfigurieren von Fahrsimulatoren Das Konzept wurde im Rahmen des Forschungsprojektes TRAFFIS erfolgreich angewendet. Dazu wurden drei Simulatorvarianten definiert: 1) TRAFFIS Komplettversion: Diese Fahrsimulatorvariante besitzt die komplexeste Struktur mit einer voll steuerbaren Bewegungsplattform, einer Rundprojektion und einer realen Fahrerkabine. Ziel ist die detaillierte Darstellung der Fahrdynamik durch die voll steuerbare Bewegungsplattform, die vollständige Darstellung der Fahrumgebung auf der Rundprojektion sowie die realistische Bedienung in der Fahrerkabine (Bild 24). Diese Fahrsimulatorvariante bietet damit ideale Voraussetzungen für den HIL-Test von Fahrerassistenzsystemen (FAS) in einer simulierten Fahrzeugumgebung. Modellbildung Konfiguration 1Simulation 2Analyse 3 Anwendungsspezifische Simulationsmodelle Anwendungsspezifische Fahrsimulator Variante Simulationsergebnisse Komponente Variante 2 Bewegungsplattform Visualisierungs - system Eingabegerät Fahrzeugmodell Verkehrsmodell etc. Lösungselemente 12 3 54 Variante 1 Legende: Seite 42 Gausemeier, Czaja, Dülme Bild 24: TRAFFIS Komplettversion als mögliche Varianten eines Fahrsimulators mit der höchsten Modellierungstiefe und komplexesten Ausprägung der Lösungselemente nach [HBA+13]. 2) TRAFFIS portable Version: Diese Fahrsimulatorvariante umfasst eine einfache Bewegungsplattform mit eingeschränkten Freiheitsgraden zur prinzipiellen Darstellung der Fahrdynamik, einen stereoskopischen Bildschirm zur Darstellung der Fahrersicht nach vorn und einem einfachen Force-Feedback Lenkrad zur rudimentären Bedienung des Fahrzeugs. Ein mögliches Anwendungsgebiet dieser Fahrsimulatorvariante ist die Schulung von Kraftfahrern für ausgewählte Fahrerassistenzsysteme (Bild 25). 3) TRAFFIS Light Version: Diese Fahrsimulatorvariante stellt eine minimale Basisversion dar. Ein tragbares Sichtsystem (engl. Head mounted display) unterstützt eine einfache Darstellung der Fahrzeugumgebung. Die Fahrzeugbedienung erfolgt über ein einfaches Lenkrad. Ein Bewegungssystem zur Darstellung der Fahrdynamik fehlt hier vollständig. Ein mögliches Anwendungsgebiet dieser Fahrsimulatorvariante ist der Test der FAS-Software nach dem Software-in-the-Loop (SiL)-Prinzip. Diese Simulatorvariante dient FAS-Entwicklern, in frühen Entwicklungsphasen, zum täglichen Testen der Kontrollalgorithmen (siehe Bild 26). Rundprojektion zur Darstellung der Fahrzeugumgebung Fahrerkabine für die realistische Bedienung des Fahrzeugs Bewegungsplattform zur Vermittlung der Fahrdynamik Inno v B ild B ild Virt u Die v teni n cher Anl a dad u Vor w che n der S L r d S B d v ationspotenti a 25: TRAF F schrä n 26: TRAF F p rägu n u elle Inbet r v irtuelle In b n tensive Ite r Anlagen z u a ge in ein e u rch einem f w egnahme d n Inbetriebn a S teuerungs p L enkrad zur r udimentäre n d es Fahrzeu g S tereoskopi s B ildschirm z u d er Fahrersi c a le auf dem W F IS porta b n kter Auspr ä F IS Light V n g der Lös u r iebnahm e b etriebnah m r ationsschl e u vermeide n e m Verhal t f rühzeitige n d es Progra m a hmezeit. G p rogramme , n Bedienung g s s cher u r Darstellu n c ht W eg zu Indust r le Version ä gung der L V ersion mit u ngselemen t e m e (VIBN) e ifen bei d e n . Bei der v t ensmodell n Test am M m mtests fü h G leichzeitig , da Fehler n g r ie 4.0 mit redu z L ösungsele m geringer M t e nach [H B ist ein Lö s e r Planung v irtuellen I n abgebilde t M odell unt e ü hrt zu ein e steigt durc h frühzeitig i z ierter Mo d m ente nach M odellieru n B A+13]. s ungsansatz und Inbet r b etriebnah m t . Die Ste u e rzogen we r e r deutlich e h die syste m i dentifizier t d ellierungs t [HBA+13] g stiefe un d , um zeitra u r iebnahme m e wird da s u erungspro g r den [Wün 0 n Verkürz u m atischen T t und beho b Einfach e Bewegu n mit eing e Freiheits S t iefe und e ] . d minimale r u bende un d maschinen b s Verhalten g ramme k ö 0 8], [Sau11 ] u ng der ei g T ests die Q u b en werde n e n gsplattform e schränkten graden eite 43 e in g er Ausd kosb aulieiner ö nnen ] . Die g entli- u alität n kön- Seite 44 Gausemeier, Czaja, Dülme nen [Zäh06]. Zudem kann das Maschinenverhalten gezielt auf solche Störungen getestet werden, die bei der realen Anlage eine Gefahr für Mensch und Umwelt darstellen. Der Nachteil der virtuellen Inbetriebnahme liegt in der aufwändigen Modellerstellung. Häufig kompensiert diese den Zeitvorteil bei der Inbetriebnahme, und der kumulierte Zeitaufwand bis zum Produktionsanlauf der Anlage bleibt gleich [Wün08]. Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts wurde am Heinz Nixdorf Institut eine neue Systematik zur virtuellen Inbetriebnahme von maschinenbaulichen Anlagen auf Basis von objektorientierten Verhaltensmodellen erarbeitet. Diese beruht auf der Strukturierung einer maschinenbaulichen Anlage in Module, für die Verhaltensmodelle mit wählbaren Modellierungstiefen und adaptiver Umschaltung zwischen diesen Konkretisierungsstufen erstellt werden. Ziel der Systematik ist die Reduzierung des Modellierungsaufwands. Der Lebenszyklus von maschinenbaulichen Anlagen gliedert sich in die sechs Hauptphasen: Anlagenkonzipierung, Anlagenausarbeitung, Anlagenherstellung, Anlageninbetriebnahme, Anlagenbetrieb und Redistribution. Die virtuelle Inbetriebnahme bildet eine weitere, parallele Phase in diesem Prozess (Bild 27). Sie gliedert sich in die fünf Teilphasen: Testspezifikationen definieren, Anlagenmodule analysieren, Umschaltbedingungen festlegen, Verhaltensmodelle erstellen und VIBN durchführen [SLB13]. Zwischen dem Prozess der Anlagenentstehung und der virtuellen Inbetriebnahme erfolgt eine durchgehende Synchronisation. Ausgetauscht werden z.B. die Funktionshierarchie und Wirkstruktur als Eingangsinformationen zur Definition der Testspezifikationen, wohingegen Anforderungen aus den Testspezifikationen abgeleitet und synchronisiert werden. Model Based Systems Engineering: Einführung und Anwendungserfahrung der modellbasierten Entwicklung im Maschinenbau Dr. Sven Kleiner :em engineering methods AG Rheinstr. 97, 64295 Darmstadt Tel. +49 (0) 6151 / 95 05 424, Fax. +49 (0) 6151 / 95 05 421 E-Mail: [email protected] Zusammenfassung Die Einführung von Systems Engineering (SE) für die mechatronische Produktentwicklung gewinnt derzeit auch in den klassischen Maschinenbauunternehmen an Bedeutung und wird diskutiert. Unternehmen stellen sich dabei die Frage, was Ihnen der Einsatz von SE bezogen auf ihre konventionellen und etablierten Entwicklungsprozesse an Mehrwert bietet und welcher Nutzen hinsichtlich Verkürzung der Entwicklungszeit, Kosteneinsparung sowie Steigerung von Produktivität, Qualität und Innovation daraus entsteht. Zu Recht muss auch die Frage gestellt werden, wie sich die Investitionen in Systems Engineering Prozesse, Methoden und IT-Werkzeuge für ein Unternehmen rechnen und welche konkreten und messbaren Verbesserungen damit für die Produktentwicklung und Produktion erzielt werden können. Im vorliegenden Beitrag werden Herausforderungen und Nutzen beim Einsatz von (Model Based) Systems Engineering, kurz (MB)SE dargestellt, die sich auf Analysen und Erfahrungen aus der Praxis stützen. Die gezielte Einführung von „Model Based Systems Engineering“ (MBSE) kann dabei helfen von der dokumentenzentrierten Vorgehensweise zu einer modellbasierten Entwicklungsmethodik zu gelangen, um die gewünschten Nutzenpotentiale auszuschöpfen. Der vorliegende Beitrag zeigt die Erfahrung aus der Einführung und Erstanwendung von MBSE am Beispiel der Maschinenentwicklung auf. Schlüsselworte (Model Based) Systems Engineering, Einführung, Anwendungserfahrung, Maschinenbau, Modellierung und Auslegung mechatronischer Systeme, interdisziplinäre Zusammenarbeit Seite 54 Kleiner Model Based Systems Engineering: Introduction, Deployment and Practical Experiences from Industry Abstract The introduction of Systems Engineering (SE) for the mechatronic product development is important even in classic engineering companies and shall be discussed. Therefore, companies are asking the question, what added value is offered by the integration of SE with respect to their conventional and established development process as well as what benefits will arise with respect to a shortening of the development time, cost savings such as an increase in productivity, quality and innovation. Rightly so, the question must also be asked, how high the investments in Systems Engineering processes, methods and IT-Tools are to be expected for a company. In the following contribution the challenges and benefits of SE will be presented. The deliberate introduction of “Model Based Systems Engineering” (MBSE) can aid in the conversion from a documentcentered approach to a model-based development methodology in order to exploit the desired potential benefits. This paper presents the experience of the introduction and adaptation of MBSE based on the example of machine development. Keywords (Model Based) Systems Engineering, Rollout, Deploment, Practical Experience, Industry, Modeling and Design of Mechatronic Products, Interdisciplinary Collaboration Mod e 1 Die G (SE) not w ford e hin z wie M wic k die B teil fü ford e durc h     Die g Vor g gew ü temi n gen d der P thod e e l Based Syst e Ausg a G esellscha f als eine u m w endig ist [ G e rungsermi t z ur Absich e Mechanik, k lungsproze B eherrschu n f ür Unterne h e rungen er w h den Eins a Projekt m Projekte interdis z Entwick noch ni c chanik L Elektrot e Mechan i Bauteile Softwar e ronisch e g ezielte Ei n g ehensweis e ü nschten N n genieuren d urch gezi e P roduktabs i e n und Too e ms Engineer i a ngsitua t f t für Syste m m fassende I G fSE14]. D t tlung und S e rung und z Elektrik/E l ssen, stehe n n g des (M B h men zu w e w ähnt werd a tz von MB S m anagemen t laufen unt z iplinärer P r lung Mech a c ht umgese t L ösung, Ele k e chni k : un z i k führt zu werden of t e entwicklu n e “ Systeme n n führung v o e zu einer m N utzenpote n und den V e ltes Requi r i che r ung a u ls abzusich e ng t ion m s Engine e I ngenieurtä D ie Aufgab e S ystemana l z um Test. A l ektronik u n n Unterne h B )SE ersche i e rden. Beis p e n, die im M S E begegn e t : Projektm a e rschiedlic h r oduktentw i a ni k : Poten t t zt, Mecha n k tronische B z ureichend e aufwändig t mals zuge k n g: fehlend e n twicklung, o n (MB)SE m odellbasi e n tiale z.B. w V ertretern a u r ements E n u szuschöpf e e rn (siehe B e ring (GfS E ä tigkeit, die e n im SE si n l yse und re i A ufgrund d n d Softwar e h men von v int zuneh m p ielsweise s Maschinen b e t werden k ö anagement h ab, Proze i cklungsp r o t ial „Mech a n ische Ko n B auteile w e e r Informat i g en Abstim m k auft, Kern k e Integratio n unzureich e kann dabe i e rten Entwi w ie verbe s u s den Fac h n gineering u e n und Föd e B ild 1). E e.V.) besc zur Entwi c n d vielfälti g i chen ü b er d er Vielzah l e in heutig v erschiede n m end zu ein e s ollen an di e b au mehrf a ö nnen. ist noch ni c sse sind ni c o zess a nik“ ausge n struktion/ E e rden durch i onsfluss z w m ungen u n k ompetenz e n der Soft w e nde Prozes i helfen vo n cklungsme t s serte Ko m h diszipline n u nd Manag e e ration der h reibt Syst e c klung ko m g und begi n die Syste m an beteili g e n innovat i n en Heraus f e m echten W e ser Stelle f ch identifi z c ht vollko m c ht standar d s chöpft – „ M ntwicklung Mechanik a w ischen El e d Suche, E n sind am M w areentwick l s -/ IT-Syst e n der doku m t hodik zu g munikatio n n , verbindli c e ment, ode r Diszipline n S e ms Engin e m plexer Pro n nen bei d e m entwicklu n g ten Diszip i ven Produ k f orderunge n W ettbewer b f olgende H e z iert wu r de n m men umg e d isiert, fehl M echatron i g bieten nu r ausgewähl t e ktrotechni k E lektrotech n M arkt verf ü lung in „m e e munterstüt z m entenzentr i g elangen, u m n zwischen che Anfor d r Virtualisi e n , Prozesse eite 55 e ering dukte r Ann g bis l inen, k tentn und b svor- e rausn und e setzt, ender i k“ ist r Mek und n ische ü gba r e chatz ung i erten m die Sysd erun- e rung , Me- Seite B ild 2 Unt e Ihne n Meh r Inve s In d e Jahr Syst e 16 U anal y der g EU R hän g tems eine r Bild mod e häu fi tem a auc h 56 1: M odel B Nutze n e rnehmen s t n SE bezo g r wert biete t s titionen in e r Arbeit „ S 2013 wur d e ms Engin e U nterneh m e y siert. Ein w g esamten E n R Entwickl u g igkeit von , Technolo g r mittleren P 2 zeigt an w e llbasierte n fi g versuchs a bsicherung h die Entwi c B ased Syst e n von S y t ellen sich b g en auf ih r t . Zu Rech t SE-Metho d S ystems En g d e in einer b e ering ermi t e n der Luft w esentliche s n twicklung s u ngsbudget ) weiteren C h g isches Ris i P rogrammg w elchen St e n Systems E - und prot o verlagert c klungszeit e ms Engine y stems E b ei der Betr a r e konventi o muss auc h d en und IT- g ineering R e b reit angel e t telt [Hon1 3 - und Rau m s Ergebnis w s kosten für ) liegt. Bei h arakteristi k i ko etc.) ka n r öße lag de r e llen der N u E ngineerin g o typgetrieb e (1). Dabei (3) reduzie r erin g E ngineer i achtung un d o nellen un d h die Frage Werkzeug e eturn on In v e gten Studi 3 ]. Dabei w m fahrtindu s w ar, dass d e ein mittler e kleineren o ken (Tiefe a nn der We r r ermittelte u tzen von S g (MBSE) e nen funkti o können s o r t werden. i ng d Einführu n d etablierte n gestellt we e für ein Un t v estment“ v e der Retu r w urden 51 E s trie sowie e r optimale e s Entwickl u o der größer e der Syste m r t zwischen SE-ROI b e E generiert wird der Ü o nalen Abs i o wohl die E n g berechti g n Entwickl u r den, ob u n t ernehmen r v on Eric C. r n on Inve s ntwicklun g der Vertei Aufwand f u ngsprogra m e n Progra m m integration , 8% und 1 9 e i 3,5:1. werden ka n Ü bergang v i cherung z u E ntwicklun g K g t die Frag e l ungsproze s n d wann si c r echnen. Honour au s s tment (RO g sprogram m i digungsin d f ür SE bei 1 m m (ca. 1 4 m men und i n , Größe de r 9 % variiere n n n. Mit Hil f v on der he u u r virtuelle n gskosten ( 2 K leine r e , was se an c h die s dem I) für m e aus u strie 1 4,4% 4 Mio. n Abr Sysn . Bei f e des u tigen n Sys- 2 ) als Mod e B ild Der N M B S heut i über g wält i ein w Dur c einf ü M B S for m Nor m und b stell t eine tem e M B S und B der S Dies e Absi zu M näre tens s spre c virt u e l Based Syst e 2: Nutzen N utzen vo n S E hilft die K i ge und zu k g reifenden i gt werden. w esentlich e c h den Eins ü hrbar und u S E ermögli c m ität der S y m en, Zerti f b ezüglich d t werden. H Beurteilun g e rfolgt. S E reduzier t B erechnun g S imulation e Entwickl u cherung - a M odel-in-th e Systemver h s imulatione n c hender To o u elle Tests i e ms Engineer i effekte dur c n MBSE ste l K omplexit ä k ünftige In n Abhängig k Die Trans p e r Bestand t atz von SE / u msetzbar. c ht interdis z y stemeigens f izierungen d es Gesamt s H ier setzt di e g des Erfül l t Hardwar e g sdisziplin e erheblich r e u ng erfährt a lso in eine m e -Loop(Mi L h alten in fr ü n aus unte r o lschnittste l i n allen M o ng c h den Eins a l lt sich dab e ä t zu beher r n ovation m k eiten und Z p arenz und t eil zur St e / MBSE-M e z iplinäres Q c haften zu oder Län d s ystems m u e SE-Meth o l ungsgrade s e und Prot o e n hat man d e duziert un d Ihre Fortf ü m Übergan g L )-Tests. In ü hen Entwi r schiedlich e l len erlaubt o dellgranul a a tz von Sys t e i durch m e r schen: Die m assiv zu u n Z usammen h die Nachv o e igerung d e e thoden ist d Q ualitätsm a den Anfor d d errichtlini e u ss währen d o de an, ind e s von Anfo r o typen: Ins b d ie Anzahl d d damit E n ü hrung in e g von Hard w gleichem M i cklungsph a e n Diszipli n die Weiter v aritäten un d t ems Engin e e hrere Effe k Vernetzun g n d die Be h h änge kan n o llziehbark e e r Effizien z d er inte r dis a nagement u d erungen ( z e n) bezügli c d des Entw i e m jederze i r derungen b b esondere i n d er realen H n twicklungs z e iner zuneh m w are-(HiL) M aße kann a sen durch d n en erfolge v erwendun g d somit in e ering Bau s k te ein [KK 1 g der Syste m errschung d n nur mit S e it der Abh z im Ent w z iplinäre Ä n u nd Absich e z .B. Kund e c h einzeln e i cklungspr o i t während d b ezogen au f n den etabl H ardwarete s z eit und -k o m enden Vi r über Soft w durch SE d d ie Vernetz n . Das Vo r g der Verh a allen Phas e S s teinen 1 4]: me nimmt d d ieser do m E-Method e h ängigkeite n w icklungspr o Ä nderungsp r e rung: Die e nanforder u e r Kompo n o zesses sic h der Entwic k f das Gesa m l ierten Ver s s ts durch E i o sten eing e rtualisieru n w are-(SiL) b d as multidi s z ung von V e r handensei n a ltensmode l e n des Ent w eite 57 d urch änen- e n ben sind o zess. r ozess Kon- u ngen, n enten h ergek lung m tsyss uchs- i nsatz spart. n g der is hin s zipli- e rhaln e n tl le für w ick- Seite lung s elle A M B S rant e onsb xis. M b ind u timi e rung nal M taus c Als ü lung und d den. 3 Der schi e erzi e Lös u ven z Eine n ture n (MB „Fu n vers t den. rung die m nieu r tur m phas e (sie h Ger a eine m der D che n 58 s prozesses. A bsicherun g S E ermögli c e n und Ent w ereich und M it SE-Me t u ng von Li e e rung ermö g von Schni t M oc k -up I n c h funktion a ü bergeordn e mechatron d ie durchg ä Syste m Syste m Entwicklu n e denen Ko n e len. In der R u ngen und d z u bewerte n n Ansatz z u n und Ko m SE) b ietet b n ctional Ar c t anden und Die FAS- M swerkzeug e m odellbasi e r s [Wei14]. m odelle ent w e auf Syst e h e Bild 3). a de im SE m System m D aten, die d n d und ziel f Damit kan n g reduziert c ht kooper a w icklungsp a insbesond e t hoden kan n e feranten z u g licht werd e t tstellen zu r n terface ver w a ler Verhal t e tes Ziel v o ischer Syst e ä ngige Ver n m modell m s Engi n n gsprozess n zept- und L R egel best e d er im Ent w n und frühz e u r systemat m ponenten b eispielsw e c hitecture fo kann zur H M ethode is t e n. Modelli e e rte Analys e Dabei we r w ickelt, die e mebene er g ist es ents c m odell zu b e d as System m f ührend. D a n die Anza h werden. a tive Entwi c a rtnern so w e re beim A u n auch in d e u r Anforde r e n. Unterst ü r Werkzeu g w iesen, ein e t ensmodell e o n MBSE k a e me durch n etzung het ierung u n eering ist gepräg t L ösungsalt e e ht dabei ei n w icklungsp r e itig Entsc h i schen Ent w auf Grun d e ise die so g fo r Systems H erleitung v t unabhäng i e rungswer k e und Synt h den unter a um erste P a g änzt werd c heidend, d e schreiben u m odell bes c a s gilt insb e h l von Har d c klungspro z w ie die OE M u stausch vo n e n frühen P h r ungsdefini t ü tzt wird di g kopplung. E en werkze u e [FMI14-o l k ann die St e die Bereits t t erogener E n u nd Einf ü t durch da s e rnativen, u m n Zielkonfl i r ojekt verf ü h eidungen z w icklung v o d lage des m g enannte F A “ (FAS) w i v on Archite k i g von Mo d k zeuge auf B h ese von S y a nderem A n a ramete r - u d en. Dabei e d ie Festleg u u nd integri e c hreiben, i n e sondere w d wareproto t z esse: Die Z M /OEM-Ko o n CAD-Da t h asen der P t ion, Syste m es durch di e E xemplaris u gunabhän g l ]. e igerung de r t ellung vo n n twicklung s ü hrung v s ständige m die best e i kt zwische n ü gbaren Zei t u treffen. o n Lösungs m odellbasi e A S-Method e i rd als ein K k turentsche i d ellierungss B asis der S y stemen au s n forderungs u nd Verhalt e e ntsteht da s u ngen unte r e rt zu beha n n eine Date n enn bereits t ypen durc h Z usammen a o peration i s t en seit lan g P roduktent w m gestaltung e zunehme n ch sei hier igen Stand a r Effizienz b n modellbas s werkzeug e v on Mod e E ntscheide n e Lösung fü r n der Anza h t , um alle L k onzepten, e rten Syste e [FAS14- o K ommunik i dungen he r p rachen u n prache Sys M s der Sicht -, Funktion e nsmodelle s sogenann t r schiedlich e n deln. Die r n bank ist d a etablierte u K h die frühe a rbeit mit L s t im Kons t g em gelebt e w icklung di e und Lösu n n de Standa r auf das Fu n a rd für den b ei der Ent w s ierten Met h e formulier t e l Base d n zwische n ü r das Prod u h l der mög l L ösungsalt e Systemarc h e ms Engin e o l]. Die Me k ationsinstr u r angezoge n n d von Mo d ML unters t des Syste m n s- und Arc h in der Ko n t e System m e r Diszipli n reine Integ r a bei nicht h und existie K leine r v irtu- L ieferukti- e P r a- e Eingsop- disien ctio- Aus- w ickh oden t werd n ver- u kt zu l ichen e rnatih itek- e ering thode u ment n werd elliet ützen m ingeh itekn zeptm odell n en in r ation h inreirende Mod e IT- W ist d e roge n B ild Die V tekt e mier e zess e tems deta i mar c der a kost e Der m über eine m fisc h tem m mod e knü p zur E zu d e Unt e [F4 M CA D tems sche r e l Based Syst e W erkzeuge i e r föderati v n en Entwic k 3: System m V erwendu n e n alle Asp e en. Sie ste h e s zu prüfe n innerhalb i llierte Beh e c hitekten d e a nspruchsv o e n. m odellbasi e hinaus die m übergeor h e Modelli e m odellierun e ll mit den p fen, jedoc h E inhaltung v e n Kosten z e rstützung b M 14-ol]. D -Systeme u truktur un d r Eigensch a e ms Engineer i i m Entwic k v e Integrati o k lungswer k m odel l n g des MBS e kte eines h en dabei s t n , inwiewe i der defini e e rrschung a e m Ziel ein e o llen Umg e e rte SE-An s Verknüpf u dneten Sys t e rung mit d g eingeset z konkreten p h limitiert. D v on Anfor d z u treffen. D b ei der Ents c u nterstütze n d Produktg e a ften oder b ng k lungsproz e o nsansatz d k zeugen ve r E -Ansatze s m ultidiszip t etig vor de r i t sich der S e rten Anfor d a ller dafür n e r Effizien z e bungen al s s atz (Mode u ng der ph y t emmodell d er Sprache t. Sie sind, p hysikalisc h D iese Verk n d erungen, z u D ie transpa r c heidungsf i n die Besc h e stalt. CAE - b ei der Sim u e ss weiterh i d ie geeigne t r knüpft wer d s ermöglich t linären Sy s r Herausfo r S ystement w derungen b n otwendige n z steigerung s auch bez ü l Based Sy y sikalische n vor. MBS E SysML u n wenn es u m h en Verhal t n üpfung ist z u Gestalt u r ente Darst e i ndung soll t h reibung de r - Werkzeug e u lation des V i n verwend e t e Lösung, w d en müsse n t Systemin g s tems zu b e r derung wä h w urf und da s b efinden. G n Autoren w sowohl i m ü glich der d stems Engi n n Modelle d E -Entwickl u n terstützen, m die Mög l t ens- und S unbedingt n u nd Verhalt e e llung der L t en dabei a u r mechanis c e helfen be i V erhaltens e t werden s w enn Date n n [Kle03]. g enieuren o d e rücksichti g h rend des E s Verhalte n l eichzeitig w erkzeuge d Hinblick a d amit verb u n eering - M d er einzelne n u ngswerkze u werden v e ichkeiten g imulations m n otwendig, e n des Ges a L ösungsalt e u f Knopfdr u c hen oder e i der Vorh e von Teilsy s S s ollen. Vie l n zwischen d er System a g en und zu E ntwicklun g n des Gesa m widerspric h d urch den S a uf das Ha n u ndenen L i M BSE) sie h n Diszipli n uge, die di e e rmehrt zu r g eht, das S y m odellen z u um Vorher s a mtsystem s e rnativen u n u ck möglic h e lektrische n e rsage phy s s temen auf eite 59 l mehr hete- a rchiopti- g sp r om tsysh t die S ysten dling i zenzt darn en zu e g r ar Sysstem- u vers agen s oder n d die h sein n Syss ikali- Basis Seite 60 Kleiner von Modellen im Rahmen der virtuellen Produktentwicklung (siehe Bild 2). Jedoch bleibt die Optimierung des Gesamtsystems häufig ein zeitintensiver und auf Erfahrungen basierender Prozess, der zusätzlich mit Hilfe von Prüfständen oder Prototypen für Tests unter realen Bedingungen ergänzt wird. Um die Optimierung eines mechatronischen Gesamtsystems durchführen zu können ist die interdisziplinäre und automatisierte Kopplung verschiedenster CAx-Werkzeuge und Modelle notwendig. Dabei müssen Parameter, Eigenschaften, Eingangs- und Ergebnisinformationen, Varianten und Berechnungsalternativen durchgängig im interdisziplinären Entwicklungsprozess als Bindeglied zwischen den Modellen verfügbar sein. Zahlreiche Herausforderungen sind dabei zu bewältigen, wie z.B.  jederzeit prüfen zu können, ob die Anforderungen an das Gesamtsystem über alle Disziplinen hinweg erfüllt sind,  verschiedene im Berechnungsprozess existierende CAx-Werkzeuge zu integrieren und Parameter und Ergebnisse zwischen den Werkzeugen auszutauschen,  einen reproduzierbaren Berechnungsdurchlauf sicherzustellen und auch nach Jahren nochmals nachvollziehen zu können,  Informationen aus verschiedenen Disziplinen, wie Mechanik, Elektrik/Elektronik oder Software in die Simulation des Gesamtsystems einzubinden,  Auswirkungen von Änderungen an einzelnen Modellen auf das Gesamtsystem nachvollziehen und beurteilen zu können oder  trotz Heterogenität in der Werkzeuglandschaft und der mangelnden Verschaltung der existierenden, hochoptimierten Berechnungs- und Simulationswerkzeuge, belastbare und nachvollziehbare Ergebnisse für das betrachtete Gesamtsystem zu liefern. Für die Einführung von (MB)SE gilt es zunächst eine geeignete Strategie für den Einsatz zu definieren und die Einführung zu planen und erfolgreich umzusetzen. Dabei hat sich in verschiedenen Einführungsprojekten im Maschinenbau folgende Vorgehensweise bewährt:  Stufenweise Einführung von Model Based Systems Engineering (MBSE) in kleinen Schritten mit Hilfe von Pilotprojekten (sogenannte „MBSE-Labore“)  Umstellung auf parallele Systementwicklung entlang des V-Modells statt sequentielle Entwicklung  Unterstützung mit Hilfe von externer Expertise und Wissensmanagement Die Einführung von MBSE betrifft mehrere Bereiche (ME, EE, SW) und erfordert Berücksichtigung des gesamten Produktlebenszyklus. Dabei ist die Akzeptanz und Transparenz in den verschiedenen Unternehmensbereichen sicherzustellen. Da Prozesse, Me- Mod e thod e und a pass u Der v von M 4 Exe m tems nisc h das f ist. D Fun k die V B ild Ziel Antr i Erh ö Vor g zusa m Zur M Kon t durc h len M Syst e e l Based Syst e e n und We r a kzeptiert s u ngen in Pi l v orliegend e M BSE an e Praxi s der M a m plarisch s o Engineeri n h en Funkti o f ür die Ers t D as Sub-S y k tionsträger V erfahrkur v 4: Konze p der modell i ebskonzep t ö hung der S g ehensweis e m menfasse n M odellieru n t ext identif i h Aktivität e M odelle bi s e ms, Gewi n e ms Engineer i r kzeuge fü r s ind, sind S e l otanwend u e Beitrag z e inem konk r s erfahru n a schine n o ll anhand d n g beschrie b o nsträgers. D t ellung von y stem beste h (2), einem v e des Funk t p tion des F u basierten E t e, um die L S toffmenge e , Methode n n d beschri e n g der fun k i zieren, An f e n, funktio n s zur logisc h n nung von ng modellbas i e nsibilisier u u ngen für d e e igt die Erf a r eten Beisp i n gen für n entwic k d es folgen d b en we r den D er Funkti o Mustern b h t aus eine m Servomot o t ionsträger s u nktionsträ g E ntwicklun g L eistungsa n pro Zeit z n und Wer k ben werde n k tionalen A f orderungs a n ale Block d h en Archit e CAD-Mo d i erte Entwi c u ng, Erfahr u e n Einsatz i n fa hrungen a u i el der Mas c einen f ö k lung au f d en Anwen d n . Es handel o nsträger is t b ei industri e m pneuma t o r (3) sowi e s fest (siehe g ers als Su b g ist die K o n forderung a z u erfüllen. k zeuge bei m n . A rchitektur w a nalyse, An w d iagramme e ktur sowi e d ellen anha n c klung noc h u ngsaufba u n Serienent w u s der Ein fü c hinenentw ö derativ e f Basis v d ungsbeisp i t sich um d t ein Sub-S y e ll hergeste l t ischen Zyl i e der Steue r Bild 3). b -System ei n o nzeption u n a n eine erh ö Im Folge n m modellba s w urde wie w endungsf ä erstellen, A e Identifika t n d de r erk a h nicht hin r u , Eignungs p w icklung n o fü hrung un d i c k lung au f e n MBSE v on Mod e i els das mo d en Entwur f y stem einer l lten Stoffe n i nder (1), d r ung (4). D i n er Textilm a n d Absiche r ö hte Drehz a n den sollen s ierten Syst e folgt vorg e ä lle und de r A usarbeitu n t ion der W i a nnten Wir k S r eichend be p rüfung un d otwendig. d Erstanwe n f . E -Ansatz e lCenter dellbasiert e f eines mec h r Textilmas c n verantw o d em eigent l i e Steuerun g a schine rung altern a hl und da m die ange w e ms Engin e e gangen: S y r en Verfein e n g der funk t i rkprinzipi e k prinzipie n eite 61 kannt d Ann dung in e Sysh at r oc hine, o rtlich l ichen g legt a tiver m it die w andte e ering y stem e rung t io n a- e n des n , Ge- Seite win n chu n sow o Syst e mod e Der S tifizi ge d e b esc h (FA S absc h falls dok u in ei n B ild Basi e tern a das A tens m ren S Daz u mod e den. 62 n ung eines m n gen in der o hl System k e mmodelle e lliert. S ystemkon t i erten Syste e s System k h rieben. U n S ) entsteht h ließend i n in SysML m u mentiert. E n em SysM L 5: B eschr e rend auf d a tiven auf G A ntriebsko n m odell bes c S imulations w u ist es erf o e ll und Par t Bei der V m ultidiszip l Simulatio n k ontext, A n (Systemar c t ext gem. B me mit Hil k ontextes A n ter Anwe eine lösu n n Zielsyste m m it Hilfe d E xemplaris c L -Diagram m eibung des d en Anford e G rundlage d n zept mit H c hrieben u n w erkzeug S o rderlich, d a t ialmodelle n V erwendun g l inären Si m n . Dabei w u n forderungs c hitektur, F ild 4 besch r f e der Bes c A nforderung ndung der n gsneutrale m architektu r e s Autoren s c h wird in B m dargestel l Systemkon t e rungen ko n d er ausge w H ilfe der M n d die mult i S imulation X a ss die fac h n aus versc h g von vor h m ulationsm o u rden auf B modelle, A F unktionsst r r eibt zunäc h c hreibung i n g en und An w Methode funktions o r en für Lö s s ystems C A B ild 5 der S l t. t exts für de n n nten berei t w ählten Ko m M odellierun g i physikalis c X simuliert w h disziplins p h iedenen W h andenen W o dells und D asis der be A nwendung s r uktur, etc. h st die von n SysML. Z w endungsf ä Functional o rientierte S s ungsaltern A MEO Sys t S ystemkont n mechatro n t s in der K o m ponenten g ssprache M c hen Eigen s w erden. p ezifischen W erkzeugen W erkzeuge n D urchführu n s chriebene n s fälle als a u ) mit der den Projek t Z ude m wer d ä lle des Sy s Architect u S ystemstru k a tiven übe r ems Model e xt für den n ischen Fu n o nzeptphas e für die Zi e M odelica i n s chaften im Eigenscha ft miteinand e n in einer h K ng von Un t n Anforder u u ch verschi e Sprache S y t beteiligten d en auf Gr u stems in S y u re for Sy k tur. Diese r führt und l er von No M n Funktions t n ktionsträg e e die Lösu n e larchitektu r n einem V e m multidiszi p f ten von S y e r verknüpf t heterogene n K leine r t ersu- u ngen e dene y sML iden- u ndla- y sML s tems wi r d eben- M agic t räger er n gsalr und e rhalp linästem- t wern IT- Ein durchgängiges Vorgehen zur Anforderungserfassung Seite 69 1 Einleitung In modernen Automobilen steigt der Anteil an mechatronischen Systemen zunehmend. In der Entwicklung dieser mechatronischen Systeme stellt die hohe Komplexität eine große Herausforderung dar. Die etablierten Entwicklungsmethoden des klassischen Maschinenbaus, wie die Konstruktionslehre nach Pahl/Beitz [PB07] und der Mechatronik, sowie die VDI-Richtlinie 2206 „Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme“ [VDI2206], können dieser Herausforderung nicht gerecht werden. Dies trifft insbesondere auf die frühen Phasen der Entwicklung zu. Nur mittels eines einheitlichen Systemverständnisses aller Fachleute und Entwicklungsdisziplinen können die geforderten Systemanforderungen identifiziert werden. Systemanforderungen werden benötigt, um neben den Komponenten- und Bauteilanforderungen die Gesamtheit des zu Entwickelnden mechatronischen Systems zu beschreiben. Systems-Engineering bietet hierfür geeignete Lösungsmöglichkeiten. Durch das Fokussieren auf ein ganzheitliches Systemdenken und das Einbeziehen von Systemmodellen als zentrales Element im Bereich des Model- Based Systems-Engineering wird dies erreicht. Zur Abbildung des Wissens von interdisziplinären Entwicklungsteams und zur Gewährleistung einer zielgerichteten Systementwicklung besteht daher die Notwendigkeit eines durchgängigen, disziplinübergreifenden Vorgehens im Sinne des Systems-Engineering [INC07]. Hierbei stehen vor allem die geforderten Systemeigenschaften und -funktionen im Fokus. Das Ergebnis dieses Vorgehens sind alle relevanten Anforderungen an ein mechatronisches System. In der industriellen Praxis ist ein solches Systems-Engineering-Vorgehen jedoch nicht flächendeckend etabliert. Vor dem Hintergrund der verteilten Entwicklung steigt der Bedarf nach einem flächendeckenden Einsatzes eines solchen Vorgehens jedoch zunehmend an. Obwohl gerade der überwiegend fachdisziplinspezifische Komponentenentwurf eine übergeordnete systemische Sicht und ein durchgängiges Anforderungsmanagement erfordern, wird dies aufgrund teils fehlendem Abstraktionsvermögen (insbesondere einer funktionalen Betrachtung), Kapazitäts- und Zeitmangel nicht durchgeführt. Eine weitere Herausforderung ist, dass das Wissen über die Methoden und Modelle des Systems-Engineering bei den Entwicklern nur mangelhaft ausgeprägt ist. Ebenfalls sind zentrale Rollen des Systems Engineering, wie von SHEARD vorgeschlagen der Systems-Engineer oder der Systemarchitekt nicht durchgängig etabliert [She96]. Zudem müssen Stakeholder integriert werden, die nicht über ein tiefgreifendes technisches Wissen verfügen [ALL07a]. Das in diesem Beitrag vorgestellte Vorgehen bietet einen zielgerichteten Ansatz zur Erfassung der relevanten Systemanforderungen, unterstützt die Ableitung von Komponentenanforderungen und sorgt mittels einer anforderungsbasierten System-Reifegraderfassung für eine frühzeitige Risikoidentifizierung im Entwicklungsprozess. Das Gesamtvorgehen wird Erfolgreich bei der AUDI AG eingesetzt. Seite 2 Das lung s Dah e fors c und schi e An w hold e gen e All d Sac h Ent w Aut o re F a zern s lich k Ent w (Ho r Erar b tem u ein S B ild Sind Lief e 70 Motiv a Thema An f s felder ein e e r wird das c ht und wei Methoden. e dliche We i w endungsfal e r) [All08, e inen seit J a d ie oben ge n h verhalt der w icklung z e o mobilindu s a hrzeugbau k s die Syste m k eit einer d e w icklungste a r izontale A n b eitung vo u msetzung r S ystem und 1: Beispi e mobili n alle Anfor d e rantenkett e a tion f orderungs e e s durchgä n Thema in terentwick e Bei den m i se erarbei t lbetrachtu n Jar99]. Zu d a hren weite r n annten V o verteilten E e igt sich in s trie. Mech a k ästen ent w m e in ihre F e zentralen E a ms, gestü t n forderung s n Anford e r esultiert z u dessen Ko m e lhafte Dar s n dustrie un d d erungen a n e umgesetz t e rfassung u n gigen Syst e der Wisse n e lt. In der L m eisten dies e et. Die Ha u gen (Use C d em bildet d r en Hauptf o o rgehensm o E ntwicklun g verschied e a tronische S w ickelt. Die s F ahrzeuge i E rarbeitung t zt durch e s erfassung) rungen de r u meist aus m ponenten z s tellung de r d Darstellu n n ein mech a t . Dies stell t u nd -manag e ems Engin e n schaft un d L iteratur fi n e r Ansätze u ptansätze C ases) [All 0 d ie Tracea b o rschungss c o delle und M g unzureic h e nen Ausp r S ysteme w e s Bedeutet, i ntegrieren der Model l in Vorgeh e (siehe Bil d r richtige n fehlerhafte n z ulassen [ A r Ebenen d ng des Anf o a tronisches t die zweit e e ment stell t e ering Vor g d industriell e den sich z a werden di e sind Zielo r 0 8, Jar99] u b ility (Verf o c hwerpunkt M ethoden h h end Rechn u r ägungen u n e rden verm e dass alle M können m ü l e und der A e nsmodell u d 1). Hier b n Granulari n Anforder u A l m 06]. d er verteilte n o rderungsfl u System erf a e Herausfo r S t eines der g ehens dar e n Praxis k a hlreiche V o e Anforder u r ientierung u nd Sichte n o lgbarkeit) [Wie95]. h aben geme i u ng getrag e n d Ebenen e hrt für sog e M arken eine s ü ssen. Dah e A nforderu n u nd Gütek r b ei liegt de t ät. Eine f u ngen, die n Entwickl u u sses a sst, werde n r derung im S chmitt, Du m zentralen H [All08, W W k ontinuierli c o rgehensm o u ngen auf u [All08, La m n bildung ( S der Anfor d insam, das s e n wird. Ve r in der he u enannte m o s Automob i e r wird die n gen in ver t r iterien, be n e r Fokus a u f ehlerhafte Annahme n u ng in der A n diese dur c Bereich de r m itrescu H and- W 02]. c h e r - o delle u nterm 04], S ta k ed eruns dem r teilte u tigen o dula- i lkon- Mög- eilten n ötigt u f der Sysn über A utoc h die r ver- Ein durchgängiges Vorgehen zur Anforderungserfassung Seite 71 teilten Entwicklung dar. Im Bereich der vertikalen Anforderungsumsetzung und Anforderungsdekomposition wird ein Verfahren zur Verfolgung von Anforderungen und deren Umsetzungsreifegrad benötigt (siehe Bild 1). Für die Entwicklung und die Ableitung von Anforderungen eines mechatronischen Systemen wird ein zentrales Arbeitsmedium und Informationsträger benötigt, der sowohl von allen beteiligten Entwicklern, als auch von allen beteiligten Unternehmen auf vertikaler und horizontaler Ebene gelesen, verstanden und weiter detailliert werden kann (siehe Bild 1). Hierzu eignet sich ein Systemmodell, das sämtliche benötigten Sichtweisen und sämtliche Stakeholderbedürfnisse beinhaltet [INC07]. Zudem muss dieses Systemmodell das Ausleiten von Anforderungen in der richtigen Granularität ermöglichen. Ein ganzheitliches Vorgehen muss das Erstellen des Systemmodells in verteilten Entwicklungsteams mit Mitgliedern ohne tiefgreifende Systems Engineering Kenntnissen ermöglichen. 3 Vorgehen Das Gesamtvorgehen zur Erarbeitung von Anforderungen an ein mechatronisches System mittels eines durchgängigen Systems Engineering Vorgehens bei Audi ist in Bild 2 dargestellt. Es umfasst mehrere Einzelmethoden, die verschiedene Sichten auf ein System generieren. Jede der vorgestellten Einzelmethoden beinhaltet eine klare Vorgangsbeschreibung sowie formale Gütekriterien. Bild 2: Gesamtvorgehen zur Anforderungserarbeitung für mechatronische Systeme Die Methode „Validierung Objektfunktionen“ dient der Bewertung des Gesamtvorgehens. Hierdurch ist es möglich festzustellen, ob das Gesamtvorgehen und dessen Einzelmethoden richtig bearbeitet wurden und alle benötigten Informationen im Systemmodell abgebildet sind. Als Systemmodell dient hierbei eine sogenannte Wirkkette. Mittels der Methode „Überprüfung auf Spezifikationswürdigkeit“ werden zum einen Seite Eige n haltl i Das han d Mit H gun g B ild 3.1 Die S Dies e und e eine n eine s zeic h Der rien. rie, S [PB 0 erw e Mer k geh ö setz g In ei n gen m ner D chit e tion e auf d exis t vali d 72 n schaften a i chen Prüf u Gesamtvo r d elt es sich u H ilfe diese s g geladen. D 3: Ladeg e Syst e S ystemmer k e Methode e iner Bezie h n allgemei n s Merkmal s h net. für die A U Diese Kat e S toff, Kin e 0 7]. Die In h e itert, um d k male dec k ö ren unter a g eber. n er Bezieh u m iteinande r D atenquell e e kturen, La s e n und Ex p d en Auto m t ierende Fa h d iert und be s a ber auch S u ng unterzo g r gehen wir d u m ein La d s Ladegerä t D as Laden g e rät eines A e mmerk m k male wer d besteht im h ungsmatri n gültigen, o s wird die s U DI AG er a e gorien sin d e matik. Gr u h alte der L d en Anford e k en hierbei a nderem: d e u ngsmatrix r verknüpft . e n. Hierzu z s tenhefte, E p erteninterv m otivbereic h h rzeugsyste s tätigt wer d chnittstelle n g en. d anhand e d egerät für e t es wird ei n g eschieht hi e udi A3 e-tr o m ale d en mittels Kern aus e x zur Gewi o bjektunab h objektind i a rbeitete Fr a d unter and e u ndlage hie i ste wurde n e rungen i m die Bedür f e r Kunde, d werden di e . Diese sin d ählen Less o rgebnisse a iews. Die g h ausgeleg t me konnte n d en. n und Wec e ines durc h e in Elektro f n Elektrofa h e rbei Kabe l o n der sogen a e inem Frag e chtung der h ängigen C h i viduell, -a b a genkatalo g erem: Kra ft e rfür ist di e n angepass t m Automot i f nisse aller d ie Produk t e 107 Merk m d ein Erge b o ns-Learne d a us Reverse g ewichtete n t . Durch e i n die Merk m hselwirkun g h gängigen B f ahrzeug d e h rzeug an e l gebunden. a nnten Ele m e nkatalog z u einzelnen M h arakter. E b hängig un g enthält 1 0 ft , Energie, e Hauptme r t und um f a vumfeld g e relevanten t ion, der K m ale durch b nis aus de r d -Datenba n Engineeri n n Beziehu n i ne Anford e m ale und d i S g en der W i B eispiels v o e r AUDI A G e iner exter n m entklassifi k u r Erfassu n M erkmale. E r st durch d d wird als 0 7 Merkma l S ignal, Sic h r kmalsliste a hrzeugspe z e recht zu w Stakehold e Ku n d endien s 4140 gewi c Analyse b e ken, existi e n g Prozesse n gen sind o b e rungserhe b i e gewichte t S chmitt, Du m i rkkette ei n o rgestellt. D G (siehe B i n en Stromv e k ation erar b n g der Mer k E in Merk m d ie Spezifi k Eigenscha f l e in 18 K a h erheit, Ge o nach Pahl / z ifische A s w erden. Di e e r ab. Zu d s t sowie de c htete Bezi e e stehender e rende Syst e n, Testspe z o bligatorisc h b ung für b t en Bezieh u m itrescu er in- D abei i ld 3). e rsorb eitet. k male al hat k ation f t be- a tego- o met- / Beitz s pekte e 107 d iesen r Ge- e huninter- e marz ifi k ah und b ereits u ngen Ein d u Wur d die h zu w b ere c und w B ild Die ze,... nen B durc h 3.2 Zur E es u n imm e zer/ F Fun k Aus g ten S Die E lung . u rchgängiges d e der Fra g h auptreleva n w ird nach B c hnet. Die B w ird im W e 4: B ezieh u hauptrelev a ), Gesamtf a B enutzer. D h die gege n Syste m E rfassung u n erlässlich e r aus der F ahrer mei s k tionalitäte n g ehend von S ystemfun k E rarbeitun g . Die Frage s Vorgehen zu r g enkatalog b n ten Merk m B ild 4 die S B efüllung d e sentlichen u ngsmatrix a nten Mer k a hrzeugstö r D iese ergeb e n seitige Bee m Use Ca s u nd Ableit u die Funkti o Benutzun g s t nie direk t n des Syste m der Funkt i k tionen ide n g der Funk t s tellung w u r Anforderun g b efüllt und d m ale für ein S umme au s d es Fragenk du r ch den s zur Ausleit u k male des L r ung, elektr i e n sich aus i nflussung d s es u ng der An fo o nalität des g eines S y t mit eine m m s aus eine r i onalität au f n tifiziert. D t ionalität g e u rde so gest a g serfassung d ie Bezieh u n zu entwic k s der gewi c k ataloges d a s ystemvera n ung der ha u L adegeräte s ische Leist u dem vom E d er Merkm a f orderunge n Systems d y stems dur c m System i m r Interaktio n f Gesamtfa h D iese werd e e schieht mi t a ltet, dass b u ngsmatrix k elndes me c c hteten Be e a uert hierbe i n twortliche n u ptrelevant e s sind Prü f u ng, Dichti E ntwickler b a le der Ele m n , die ein S y d arzustellen . c h einen K m Fahrzeu g n mit dem G h rzeugebe n e n anschlie t tels einer w b auteilunab h angewandt , c hatronisch e influssung i im Schnit t n Entwickl e e n Merkma l f vorschrifte n gkeit und M b efüllten F r m entklassif i y stem berei t . Die Use C K unden ab. g interagier t G esamtfahr z n e werden d ß end weit e w iederkehr e h ängige Fu n S , so ergebe n es System. eines Mer k t nur 15 Mi e r durchgef ü l e n (TÜV, G M isuse dur c r agenkatalo g i kation. t stellen mu s C ases leite n Da ein B t , leiten si c z eug ab. d ie hauptrel e r dekomp o e nden Fra g n ktionen er a eite 73 n sich Hierk mals nuten ü hrt. G esetc h eig und s s, ist n sich B enutc h die ev a n- o niert. g estel- a rbei- Seite tet w [VD I gen e stell u tige Fun k „Ele k „sys t Eine B ild Das Ene r mit d 3.3 Syst e Erre i scha f Stak e wird getr a fluss gres s Eins a ken n Die mus t Ant e mus t 74 w erden. Ba s I 2222]. Di e e iner Auto m u ng der Fu n Fragestell u k tionalitäte n k tromagnet t emexterne s Funktion w 5: System Ladegerät r gie aufneh m d er Umwelt Syste m e meigensc h i chung ein e f ten in der e holdern m hierbei de m a gen. Die A t werden. B s ivität und H a tz komm e n en und in d Systemeig e t er bestehe n e il besteht a t er werden s is der Bes c e ses wurde m obilentwi c n ktionen u n u ng zurück g n lautet: W ische Well e s Element“ w ird immer Use Cases muss beis p m en“ realis i “ zu ermög l m eigensc h aften sind e r kunden e Entwicklu n m it nicht au s m Sachver h A usprägung B eispielsw e H ochwerti g e n, ist es u n d er Entwick l e nschaften w n aus eine m a us den Sys t diese verk n c hreibung d abgewand e c klung zu u d deren U n g reifen zu W elche Unt e e “, einen „ beschreibt durch ein S des Ladeg e p ielsweise d i eren, um d e l ichen (sie h haften eine syste m e rlebbaren S n g ist unerl ä s geprägtem alt der Ent w einer Funk t e ise sind di e g keit. Da di n erlässlich l ung mit z u w erden mit m statische n t em Use C a n üpft und e d er Funkti o e lt und erw e u nterstütze n n terfunktio n können. D e rfunktion, Stoff/Betri e wird benöt i S ubstantiv u e rätes d ie Funktio n en Kunden h e Bild 5). m spezifisch e Systemges a ä sslich. Ein m technisch e w icklung m k tion kann d e Marken w i e entwicke l die marke n u berücksic h t tels sogen a n und vari a a ses und d e e s ist gewä h o nen ist da s e itert um d i n . Zudem is t n en auf eine D ie Fragest e die eine „ p e bsstoff“, e i gt, um ein e u nd Verb b e n en „AC- E Use Case „ e Auspräg u a mtfunktio n erseits lass e e m Verstän d m odularer F a d urch Mark e w erte der A U l ten Syste m n spezifisch e h tigen. a nnter Satz m a blen Antei l e n System m h rleistet, d a S s Vorgehe n i e spezifisc h t dies nöti g einheitlich e e llung zur p hysikalisc h ine „Infor m e Funktion z schrieben. nergie abg e „ Energieau s u ng einer F u n . Der Ein s e n sich die d nis erfass e a hrzeugbau k e nwerte od e U DI AG S p m e markenü b e n System e m uster erar b l en [FHM1 m erkmalen. M a ss eine R ü S chmitt, Du m n definiert i h en Anfor d g , um bei d e e und einei n Erarbeitun g h e Größe“ , m ation“ od e zu ermögli c e ben“ und s tausch Fa h unktionalit ä s atz von E Bedürfniss e n, zum a n k ästen Rec h e r –image b p ortlichkeit , ü bergreifen d e igenschaft e b eitet. Die 4]. Der va r M ittels der ü ckverfolgb a m itrescu i n der d erun- e r Ern deug der , eine e r ein c hen? „AC- rzeug ä t zur E igen- e von deren h nung b eein- , P r od zum e n zu Satzr iable Satz- a rkeit Ein d u von E sind ter e Unt e Syst e Die S freie n die F welc 4 Als nebe ele m Mer k Ges a alle len/ W In d e selw i vers e Einz e Ene r den Beis p mec h kun g Ent w lung s B ild u rchgängiges E igenscha ft als Fragen e rgibt sämt l e r dem Asp e e m besitze n S ystemeige n n Energiea b F ragestellu n he Eigensc h Wirkk e Systemmo d n der Syst e m enten, Sc h k male und a mtvorgehe n Metho d W echselwir k e r Wirkket t i rkungen d o e hen, die z elnen: Me c r gie / -leistu n die Wechs e p ielsweise h anischer A g „Vibratio n w icklung so w s partner w e 6: Aussch Vorgehen zu r ft en hin zu F aufgebaut u l iche relev a e kt <Merk m n ? n schaften e b gabe, ge m n g „Unter d h aften mus s e tte d ell komm t e marchitekt u h nittstellen die Syste m n s in eine m d enartefakte k ungen err e t e lassen si c o kumentier e z u einer op t c hanik, the r n g, Optik/v i e lwirkunge n führt die g A nregung a n n sübertragu n w ohl auf h o e iter ausdet a nitt aus de m r Anforderun g F unktionali t u nd wiede r a nten Syst e m al> und < S ines Ladeg e m äß externe n d em Aspe k s das Syste m t eine soge n u r bestehen d und Wech m eigenschaf t m Modell v e , Komp e ichen. c h sowohl e n. Diese W t ischen Di f r mische En i suelle Wir k n mit eine m g ewollte W e n dem bef e n g“. Das s o o rizontaler a illiert wer d m Systemm o g serfassung t äten und M r kehrend. D e meigensch S ystem Use e rätes best e n Anforder u k t elektrisc h m besitzen? nannte Wi r d aus der S y h selwirkung ft en. Hierd u e reint und e p onenten, gewollte w W echselwir k f ferenzierb a n ergie, Info r k ung und A m Text ve r echselwirk u e stigten O b o entstande n als auch a u d en. o dell/Wirkk e M erkmalen m D ie Beantw o a ften. Ein e Case> wel c e hen beispi e u ngen“. Di e h e Leistun g “ erarbeite t r kkette zu m y stemabgr e en auch d i u rch sind al e s lässt sic h Bauelem e w ie ungewo l k ungen we r a rkeit führe r mation, St A kustik/Lu f r sehen, der u ng „Befes b jekt zu de r n e System m u f vertikale r e tte des La d m öglich ist . o rtung dies e s dieser S a c he Eigens c e lsweise au s e se Eigens c g und DC- E . m Einsatz. D e nzung, Ko m i e System le relevant e h eine Rüc k e nte un d l lte als auc h d en mit we n . Diese A o ff/Materi a f tschall. A n diese eind e t igung“ ei n r ungewoll t m odell kann r Ebene du r d egerätes S . Die Satz m e r F r agesat z a tzmuster l c haften mu s s einer „tol e c haft wurd e E nergie ab g Diese bei n m ponenten, Use Case s e n Elemen t k verfolgun g d Schni t h Misuse W e iteren Attri A ttribute si n a l, Elektrik, n schließend e utig besc h n es Objekt e t en Wechs e n in der ver t r ch die Ent w eite 75 m uster z musautet: s s das e ra n z- e über g eben h altet B a us , die t e des g über t tstel- W echb uten n d im HV- wer- h reibt. e s bei e lwireilten w ick- Seite Der Vor g mal e mod e ten V ein fi 4.1 Die M tion a den. ebe n Die M Hau p tig d attri b che n Kat a die a roni k mel d kett e nes E die U Im S diod e als A ents p 4.2 Mitt e Wec h kan n scha f abz u Die Gra n aufg r sche n 76 Aufbau u n g ehensbesc h e Gütekrite r e ll wurde i n VW -Konze r fi rmenüber g V alidi e M ethode V a litäten, die Da die Sy s n falls eine Ü Methode b p tschnittste l d efiniert we r b uten der H n Kombinat a log ist zu j a bgeleitete F k “ und der d ung“ an ei n e findet ein E lementes g U se Cases, a S ystemmod e e zur Lade s A usgang ei n p richt der F u Spezif i e ls des G ü h selwirkun g n . Es wird f t die benö t u leiten Spezifikati o n ularität de r r und ihres u n Wechsel w n d die Dek o h reibung u n r ien zur Ü b n einer V W - r n zur Ve r f ü g reifender E e rung Ob j alidierung O in den Us e s tem Use C Ü berprüfun g asiert auf d l len eines S r den. Die F H auptschnit t ionen der E eder Kom b F unktion ei n Ausgangss c n en Benutz e Abgleich m g enau eine F a ls auch die e ll/Wirkket t s tatusanzei g n e visuelle W u nktion „L a i kations w ü tekriteriu m g /Schnittst e folglich ü b t igte Vorau s o nswürdig k r Eigensch a u nspezifisc h w irkungen u o mposition n terstützt. N b erprüfung - Norm gen o ü gung, son d E insatz erm ö j ektfunkt i O bjektfunk t e Cases er a C ases am A g der Durch f d er Arbeit v S ystemelem e F unktionen t stellen abg E i n - und A b ination die n es Elemen t c hnittstelle e r. Nach A u m it den Sys t F unktion i n Wirkkette t e des Lad e g e. Diese be W irkung. D a devorgang w ürdigkei t m s „Spezifi k e lle oder E b erprüft, o b s setzung er f k eit von Ei g a ft gewählt h en Charak t u nd Schnit t der Schni t N ach Erarb des Syste m o rmt. Diese d ern auch s ö glicht. i onen t ionen dien t a rbeitet wu r A nfang des G f ührung de r v on KAIS E ents, kann d der Eleme n g eleitet. Hi e A usgangssc h realisierte n tes mit der „Optik/ vi s u sleiten der t em Use C a n den Use C vollständig e gerätes be f e sitzt als Ei n D ie Abgelei t optisch si g t k ationswür d E igenschaft b eine We c f üllt, um ei n g enschafte n wurde. Gr t ers schwe r t stellen dar s t tstellen we e itung des m modells z u V W -Nor m ämtlichen L t der Über p r den, sich i m G esamtvor g r Gesamtm e E R [Kai13] d ie Funkti o n te werden e rzu steht e i h nittstellen Funktion h Eingangss c s uelle Wir k Funktione n a ses statt. G C ases, so is t sind. f indet sich b n gang eine e ete Funkti o g nalisieren“ d igkeit“ wi r eine Anf o c hselwirku n n e qualitati v n ist davon obgranular e r oder ga r n s tellen. Mi t S r den durch Systemmo d u r Verfügu n m steht nicht L ieferanten . p rüfung, ob m System m g ehens steh e thode mög l . Durch Id e o n dieses E l aus den W i n Katalog zur Verfü g interlegt. B c hnittstelle „ u ng“ eine „ n der Elem e G ibt es zu j e t sichergest e b eispielsw e e lektrische o n „Optisch e in den Use r d überprü f o rderung a b n g/Schnittst e v hochwert i Abhängig , e Eigensch a icht in For m t tels eines e S chmitt, Du m h eine eind e d ells stehe n n g. Das S y t nur dem g e . Hierdurc h sämtliche F m odell wie d h en, ist hier l ich. e ntifizieru n l ementes ei n W echselwir k m it allen m g ung. In d i B eispielswe i „ Elektrik / E „ Optische R e nte in der W e der Funkti o ellt, dass s o e ise eine L e Schnittstel l e Rückmel d Cases. ft, ob aus b geleitet w e lle oder E t ige Anford e , ob die ri c a ften lasse n m von phy s e indeutigen m itrescu e utige n forstem- e samh wird F unkerfin- d urch n g der n deuku ngsm ögli- i esem i se ist E le k t- R ück- W i r k- o n ei- o wohl e ucht- e und d ung“ einer erden E igen- e rung c htige n sich s ikali- Vor- Ein durchgängiges Vorgehen zur Anforderungserfassung Seite 77 gehens wird hinterfragt, ob die Eigenschaft aufgrund von externen Anforderungen in Form von Normen oder Gesetzen besteht. Ist dies der Fall, so müssen Schnittstelle und Wechselwirkungen ausgeleitet werden. Desweiteren werden die Zustände und die Randbedingungen der Eigenschaft hinterfragt. Sind diese nicht eindeutig definierbar oder gibt es mehr als drei mögliche Zustände und Randbedingungen, so muss die Eigenschaft durch Funktionalitäten auf einer tieferen Ebene der Use Cases gebildet werden. Die Systemeigenschaften des Ladegerätes „toleranzfreie Energieabgabe, gemäß externen Anforderungen“ entspricht dem Gütekriterium der Spezifikationswürdigkeit. Im Falle der Energieabgabe eines Fahrzeuges an eine Infrastruktur sind verschiedenste Gesetze und Normen zu beachten. Das Ladegerät erfasst diese und regelt die Energieabgabe dahingehend ein, dass diese toleranzfrei den externen Anforderungen erfolgt. Die Spezifikationswürdigkeit von Schnittstellen und Wechselwirkungen richtet sich neben der Semantik auch an die Darstellung innerhalb des Systemmodells. Im Sinne der Übersichtlichkeit werden Schnittstellen der gleichen Art häufig zu einer Schnittstelle zusammengefasst. Hierdurch können wesentliche System- oder Komponentenschnittstellen aus dem Fokus der einzelnen Entwickler geraten. Dies wird durch eine Evaluierung der Schnittstellen vermieden. 5 Ausleiten von Anforderungen Die Anforderungen an ein System lassen sich direkt aus den Schnittstellen und Wechselwirkungen der Wirkkette ausleiten. Die Schnittstellen und Wechselwirkungen erfüllen sämtliche Vorgaben an Anforderungen. Diese sind unteranderem: Eineindeutigkeit, Konsistenz, Vollständigkeit, Nachverfolgbarkeit und Testbarkeit [IEEE1233]. Da durch Anwendung des Gesamtvorgehens garantiert ist, dass sämtliche Bedarfe der Stakeholder, sämtliche benötigten Funktionalitäten und alle gewünschten Eigenschaften eines mechatronischen Systems in den Schnittstellen und Wechselwirkungen repräsentiert sind, sind die Anforderungen vollständig beschrieben. Die Anforderungen können anschließend in einem Lastenheft, welches an die Lieferanten übergeben wird, dokumentiert werden. 6 Reifegradmanagement Wurden alle Anforderungen an ein mechatronisches System erarbeitet, werden diese in ein Reifegradmanagement überführt. Hierdurch ist es möglich, frühzeitig in der Systementwicklung Risiken zu identifizieren. Aufgrund der verteilten Entwicklung mit mehreren Lieferanten und Standorten ist ein zentrales Reifegradmanagement bezüglich der Anforderungen und deren Umsetzung unabdingbar. Seite 78 Schmitt, Dumitrescu Das Reifegradmanagement wird mittels sogenannter Reifegradmeilensteine (RM) durchgeführt. Diese Reifegradmeilensteine wurden so gewählt, dass sie alle relevanten Schritte in der Entwicklung mechatronischer Systeme umfassen. Mittels des Reifegradmeilensteins 1 wird ermittelt, ob alle Schnittstellen im Systemmodell eine Verantwortlichkeit besitzen und spezifiziert sind. Die Dokumentation in einem Lastenheft und die Bestätigung in einem Pflichtenheft eines Zulieferers wird mittels des RM 2 bewertet. RM 3 bewertet die Dekomposition des Systemmodells und der Anforderungen. Die Validierung der Spezifikation einer Anforderung oder Schnittstelle wird zum RM 4 abgeprüft. Reifegradmeilenstein 5 und 6 bewerten die Integration und die Absicherung von Schnittstellen in einer Komponente und anschließend im Gesamtsystem. Der Gesamtsystemreifegrad setzt sich hierbei aus den Reifegraden aller Schnittstellen zusammen. 7 Resümee und Ausblick Das hier vorgestellte Gesamtvorgehen erlaubt das strukturierte Erarbeiten und Erfassen von Anforderungen an ein komplexes mechatronisches System im praktischen Einsatz bei einem Automobilhersteller. Es wird der Herausforderung der verteilten Entwicklung gerecht, da die Einzelmethoden in verteilten Entwicklungsteams erarbeitet und anschließend die Ergebnisse zusammengefügt werden können. Die Einzelmethoden eignen sich durch ihre klare Vorgehensbeschreibung und der Gütebewertung auch für Entwickler ohne ausgeprägte Systems-Engineering-Erfahrung. Durch Anwendung des Gesamtvorgehens werden sämtliche Sichtweisen auf ein System und die Anforderungen aller relevanten Stakeholder mit erfasst. Das Gesamtvorgehen ist hierbei an den Bedarfen der Entwicklung orientiert und sehr effizient. Durch das Reifegradmanagement wird in den folgenden Entwicklungsschritten sichergestellt, dass alle Anforderungen über alle Entwicklungspartner hinweg richtig kommuniziert und umgesetzt wurden. Es entsteht die Möglichkeit Risiken frühzeitig zu identifizieren und die Reife des Systems jederzeit zu erfassen. Das Vorgehen wurde Erfolgreich bei der AUDI AG in mehreren Projekten eingesetzt und bestätigt. Es eignet sich ebenfalls für andere Industriezweige, wie den Maschinen- und Anlagenbau. Lediglich die Merkmale und deren Verknüpfung in der Methode Elementklassifikation müssen für einen anderen Industriezweig angepasst werden. Literatur [All07a] ALLMANN, C.: Anforderungen auf Kundenfunktionsebene in der Automobilindustrie. In: Workshop: Wie viel Requirements Engineering steckt im Software Engineering? Im Rahmen der SE2007, 2007 [All08] ALLMANN, C.: Situations- und szenariobasiertes Anforderungsmanagement in der automotiven Elektronikentwicklung. Universität Hannover. 2008 Seite Bild Eine r sich t dukt e lich i ziert e ermi t And e one n Aus ple m rierb und/ o 2.1 Sich e fizie r in d e ne N Nor m cher h Ver g heits   86 2: R isiko m r seits könn t liche Gefä h e s so ausz u i st, d.h. da s e m Gefahr e t teln, um d a e rerseits kö n ausgehen. identifizie r m entierung u ares Maß o der die A u Klassi f e rheitsrisik e r en. Die IS O e r IEC 615 0 N ormen hab e m en unters c h eitsrisiken g leichbar is t risiko wieg je höher je wahrs m inimierun g en die An w h rdungssitu a u legen, dass s s die jewei l e nfall ist de r a raus weite r nnen vom S Um diese a r ten Risike n u nd den En t zu mini m u swirkunge n f ikation v e n in der P r O 26262 [I S 0 8 [IEC10] e n weitere B c heiden sic h . t jedoch di t umso sch w die Auswi r cheinlicher g [PH13] w endungss z a tionen au fz das Auftr e l igen Risik e r Beitrag d e r e Anforde r S ystement w a ufzudecke n n leiten sic h t wicklungs p m ieren, in d n verringer t v on Risik e r oduktentw i S O11] ordn sind es die B ezeichnun h die Nom e e generell e w erer, r kungen im die Risiko s z enarien od e fz eigen. In d e ten diese r S e n minimie r e r einzelne n r ungen an d w urf bisher n , ist eine A h Anforder u p rozess ab. d em entwe d t werden. e n i cklung sin d n et Risiken i Klassen SI L n gen. Abhä n e nklaturen u e Vorgehen s Sinne von V s ituation is t e r Umfeld b d em Fall is t S ituationen r t sind. Au s n Kompone n i ese Komp o nicht ident i A nalyse des u ngen an d In jedem F d er die E d entsprech e i n die Klas s L 1 bis SI L n gig von Pr o u nd Vorga b s weise zur V erletzung e ; Schäfer, Sto l b etrachtung e t das Syste m hinreichen d s gehend vo n n ten des S y o nenten ab z i fizierte Ge f Systement w a s Produkt k F all Risike n E intrittswah r e nd ihrer S c s en ASIL A L 4, andere b o duktbranc h b en zur Ein Klassifika t e n oder To d l lt, Nyßen, D o e n bereits o m design de s n d unwahrs c n jedem id e y stementwu r z uleiten. f ährdungss i w urfs notw e k onzept, di n zu auf ei n r scheinlich k c hwere zu k A bis ASIL D b ranchenbe h e und gelt e n ordnung v o t ion. Ein S i d esfällen is t o rocia k o ffens P r oc hein- e ntifir fs zu i tuati- e ndig. e Imn tolek eiten k lassi- D ein, zoge- e nden o n Si- i chert ; Erwe i  Zur B welc b en, sind 1 2.2 Zur I lität s ren a keit d b eit u Eine anal y tem e pote n Risi k führ t geht die m Eine FT A eine m Ver k niss e FT A eign i gebe tritts w Wei t haza r anal y Vor g 1 Di e me n i terung der E n je gerin g B eschreibu n hen Umstä n und „welc h 1 . Etabli e I dentifi k ati o s sicherung s a uf struktu r d er Analys e u ng im Tea m verbreitet e y se, engl. f a e lement (gg n tielle Urs a k obewertun t und es w e von einer S m öglichen F klassische A (Fehlerba u m zu unter s k nüpfungen e werden i n A sind die n i sses (Mini m n werden k w ahrschei n t ere Metho d r d analysis ) y sis), Mar k g aben der a n e Begriffe sin d n klatur einer v n twurfsmetho d g er die Mö g n g von ide n n den“ dies e h e Abweh r e rte A nal y o n von Risi k s tammende r ierten Vor g e n zu gew ä m vor, um fa e , induktiv e a ilure mod e fs. auch Pr a chen und A g mithilfe d e rden Geg e S ystemstru k F olgen auf d deduktive u manalyse, s uchenden H systematis n einem F e otwendige n m alschnitte k önnen, ist n lichkeit de s d en wie P H ) , HAZOP k ov-Ketten n zuwenden d d an dieser S v on mehreren d ik CONSE N g lichkeit au f n tifizierten e Risiken e r möglichke i y semeth o k en in eine m Methoden a g ehensweis e ä hrleisten. W fa chdiszipli n Methode i e and effec t o zesse ode r A uswirkung d er Risiko p nmaßnahm k tur und de r d er Gesamt s Methode z engl. fault t H auptereig n c h auf der e e hlerbaum n Kombina t ) . Wenn fü r als quanti t s Haupterei g H A (engl.: p (engl.: haz a u nd ander e d en Norme n S telle absichtl i möglichen a n N S f eine Gefa h Risiken g e e intreten kö i ten“ für d e o den m Produkt k a nwendba r e n, um die W eiterhin s e n übergreife n i st die FM E t analysis). r Funktion e g en in einer p rio r itätsza h m en definier t r en Funktio n s ystemeben z ur Analys e t ree analys i n is unter B e e n potentie l festgehalte n t ionen von r die Ursac h t atives An a g nisses mö g p reliminary a rd and op e e können j e n zum Eins a ich umgangs s n zuwenden N o h r zu reagie e hören dah e nnen, „wel c e n Anwend k onzept sin d [Eri05], [B Nachvollz i e hen die m e n de Inhalte E A (Fehler m Mit der F M e n) möglic h Tabelle b e s h l (RPZ) o d t . Die Ana l n en bzw. P r e. e bereits i d i s). Mit ein e e rücksichtig l len Ursach n . Qualitat i U rsachen z h en Ausfal l lyseergebn i g lich. hazard an a e rability st u e nach Pro d a tz komme n s prachlich ge h o rm zu verm e r en ist. e r die Infor m c he Auswi r e r im Risi k d verschied e ir10]. Alle M i ehbarkeit u e isten Met h zu berücks i m öglichkei t M EA werd e h e Ausfalla r s chrieben. Z d er Risiko m l yse innerh a r ozessen a u d entifizierte r e r FTA wir d u ng von U N e n geschlo s i ves Analy s z um Erreic h l wahrschei n i s die Bere c a lysis), SH A u dy), ETA ( d uktart, Ri s n . h alten, um ei n iden. S m ationen, „ r kungen“ s i k ofall vorh a e ne aus der Methoden b u nd Vollst ä h oden eine ichtigen. t s- und Ei n e n für jede s r ten sowie Z udem wir d m atrizen du r a lb einer F u s und unte r r Risiken i s d ausgehen d N D- und O D s sen. Die E seergebnis h en des Ha u n lichkeiten chnung de r A (engl.: s y ( engl.: eve n s ikoumfan g i nen Bezug z u eite 87 „ unter i e ha- a nden Quab asieä ndig- Bear- flusss Sysderen d eine r chge- MEA r sucht s t die d von D E R - E rgebeiner u pterange- r Ein- y stem n t tree g , und u r No- Seite 3 3.1 CO N roni c MB S sowi Met h orie n Ein schr i (mit Zu B die E in B e dies e flüss gen e B ild Ans c one n An w 88 Integr a konze p Ganzh e Produ k N SENS (C O c Systems) i S E-Spezifi k e über ein P h odik fest, n tiert. Systemmo d i eben: Um f Verhalten) B eginn wir d E lemente in n e ziehung st e n Element e e klassifizi e e in, die als S 3: Umfel d c hließend e r n , in denen w endungssz e a tion de r p tion e itliche k tkonzep t O Nceptual d i st eine am k ationstech n P rofil als E die sich i m d ell wird n f eld, Anwe n und Baustr u d im Umfel d n erhalb de s ehen. Dab e e n und de m e rt. Dabei f S törflüsse m d modell na c r folgt, wie i das Syste m e narien die r Sicher h fachdisz t ion mit C d esign Spec i Heinz Nix d n ik [GLL12 E rweiterung m Wesentlic n ach CON S n dungssze n u ktur/Gest a d die Syste m s Umfelds i d i werden i n m System a n f ließen in d m odelliert w c h CONSE N i n Bild 4 d a m zum Ein s Situation s h eitsbet r iplinübe r C ONSEN S i fication te c d orf Institut 2 ]. Neben e i der SysM L c hen an eta b S ENS durc h n arien, An fo a lt. m grenze fe s d entifiziert, n sbesonder e n alysiert u n d ie Betrach t w erden. N S (SysML- P a rgestellt, e s atz komm t s owie das e r r achtun g r greifend e S c hnique for erarbeitete i ner Model L verfügbar b lierten M e h untersch i fo rderungen s tgelegt (si e die mit de m e Wechsel w n d in Stoff - t ung auch u P rofil) ine Analys e t . Dabei w e r wartete S y Schäfer, Sto l g bei der e Besc h the Engine , fachdiszi p l ierungsspr a ) legt CO N e thoden de s i edliche P a , Funktion e e he Bild 3) . m zu entwi c w irkungen ( F - , Energie-, u ngewollte e der versc h e rden in F o y stemverha l l lt, Nyßen, D o Produk t h reibung e ering of m e p linübergrei r ache (prop r N SENS auc h s Maschine n a rtialmodell e n, Wirkst r . Hierbei w c kelnden S y F lüsse) zwi sowie Ma t Wechselw i h iedenen S i o rm sogen a l ten beschr i o rocia k t - der e chatfende r ietär, h eine n baus e ber uktur erden y stem s chen t erial- i rkun- i tuati- a nnter i eben. Erwe i Hier a vorh a B ild Die verf e gen k und g Z iel, B ild i terung der E n a us ergebe n anden Anf o 4: Anwe n im Rahme n e inerten A n k lassifizier t g ewollter Z eine Aufga 5: Funkti o n twurfsmetho d n sich unte r o rderungen n dungsszen a n der Um fe n forderunge t und in Fu n Z usammenh be zu erfül l o nsnetz na c d ik CONSE N r Umständ e ergänzen. a rien nach C fe l d - und A n werden i n ktionen ü b ang zwisc h l en “ [PBF+ 0 h CONSE N N S e n neue An f C ONSEN S A nwendung s i n funktion a b erführt. Ei n h en Eingan g 06]. NS f orderunge n s szenario- M a le und ni c n e Funktio n g und Aus g n , die die M M odellierun g c ht-funktio n n ist dabei e g ang eines S S M enge der i g ergänzte n n ale Anfor d e in „allge m S ystems mi t eite 89 i nitial n und d erunm einer t dem Seite Um Z Fun k die z Lös u Basi e b au u Syst e B ild Ähn l in e r gie-, 3.2 Dur c Betr a b ei d gen ( Sind so l a such e kön n verit y 2 CO N sch e 90 Z usammen h k tionshierar z u leistend e u ngsmuster e rend dara u u nd die Wi r e melement e 6: Wirkst r l ich wie z w r sichtlich – und Mater i Erweit e c h die Syst a chtung vo n d er Modelli e ( engl. haza r die Eleme n a ssen sich i n en, in wie w n ten. Diese y ) kann je w N SENS defi n e int den Auto h änge zwis c chie bzw. e e Funktion a zur Umset z u f wird ein e r kungsweis e dekompo n r uktur nach w ischen de m neben der i alflüsse) z w e rung vo ematik un d n Gefahren e rung des U r d effects) e n te des U m n sbesonder e w eit Umfe können im w eils bewer t n iert streng g e ren aber im A c hen Funkt i e inem Fun k a lität so la n z ung der je w e Wirkstru k e des Syste n iert, welch e CONSEN S m System u n Hierarchie b w ischen de n n CONS E d Durchgä n und Risik e U mfelds au c rfolgen, w e m felds und i e die unge w l delemente Umfeld er g t et werden. e nommen da s A llgemeinen a n i onen zu er k tionsnetz 2 n ge herunt e w eiligen Fu n k tur erarbei t e ms spezifi z e die zuvor S n d Umfeld e b eziehung a n Systemel e E NS um e n gigkeit de r e n einfach u c h die Betr a e nn offensi c i hre Wechs e w ünschten W durch Ge f g änzt und d s Modelliere n n gemessener. fassen, we r organisiert e rgebroche n n ktionen id e t et, in welc h z iert werde n definierte n e lementen, w a uch Wech s e menten id e e in Partia r CONSE N u nd konsis t a chtung mö g c htliche Ge f e lwirkunge n W echselwi r f ahrenaus w d ie Schwer e n einer Funkti Schäfer, Sto l den die Fu n (siehe Bil d n , bis Wir k e ntifiziert w h er der gru n n . Dabei wi r Funktione n w erden hie r s elwirkung e ntifiziert. l modell „ N S-Methode ent integri e g licher Ge fa f ahren bere i n mit dem r kungen da h irkungen S e der Ausw i o nshierarchie l lt, Nyßen, D o n ktionen in d 5). Dabe i k prinzipien w erden kön n u ndsätzliche r d das Syst e n umsetzen . r bei – wie B e n (Stoff-, „ Gefahre n e , lässt sic h e ren. Dabei f ahrenausw i i ts bekannt System be k h ingehend u S chaden ne irkung (en g . Ein Funkti o o rocia k einer wird bzw. n en. Auf- e m in . B ild 6 Enern “ h eine kann i rkuns ind. k annt, u nterhmen g l. se- o nsnetz Erwe i B ild In d e (eng l Wie aber An w B ild i terung der E n 7: Umfel d e n Anwen d l . hazardo u die Gefahr e anhand de r w endungssz e 8: Anwen d n twurfsmetho d d modell, er g d ungsszena r u s situation ) e nauswirk u r Wahrsche i e narien abl e d ungsszen a d ik CONSE N g änzt um G r ien lassen ) ergänzen, u ngen werd e i nlichkeit i h e itet. a rien, ergän z N S G efahrenau s sich auf g , in denen e n auch die h res Eintret e zt um Gefä h s wirkungen g leicher B a mögliche G Gefährdu n e ns (engl. p h rdungssit u a sis Gefähr d G efahren e i n gssituation e robability), u ationen S d ungssitua t intreten k ö e n bewerte t , die sich a u eite 91 ionen nnen. t , hier u s den Seite Das nen a den. aus w B ild Das lich k Sch w von d B ild 92 systematis c a us Gefähr d Dabei ver k w irkung. 9: Gefah r mit der G e k eit des Ei n w ere der A u d er zu ver w 10: Siche r c he Erfasse n d ungssituat k nüpft eine r enmodell a e fahr verbu n n tretens d e u swirkung b w endenden N r heitsanfor d n von Gef a i onen und m Gefahr ge n l s Ergänzu n n dene Risi k r Situation b ewerten. B N ormen erf o d erungen, a b a hren erfol g m öglicher G n au eine Ge f n g zu CON S k o (engl. ri s n , vorhand e asierend d a o lgen (beis p b geleitet a u g t schließli c G efahrena u f ährdungss i S EN S s k) lässt si c e ner Abwe h a rauf kann e p ielsweise S u s Gefahren Schäfer, Sto l c h, indem a swirkunge n i tuation mi t c h anhand d h rmöglichk e e ine Klassi fi S IL-Level b l lt, Nyßen, D o a lle Kombi n n betrachte t t einer Gef a d er Wahrs c e iten, sowi f ikation ab h b ei IEC615 0 o rocia k n atiot wer- a hrenc hein- e der ängig 0 8). Erwe i Schl i wer d Dab e wer d aber Klas gen R Zus a anal y „Ge f Wie und G gen P B ild 3.3 Mit sich Met h i terung der E n i eßlich kö n d en. Bild 1 0 e i muss ni c d en, sofern sicherheits k sifikation d R isikos erf o a mmenfass e y se notwe n f ahren“ ver e in Bild 11 G efahren z u P artialmod e 11: Neues Anwe n CONS E den vorste h etablierte M h oden FME n twurfsmetho d n nen aus i d 0 stellt dies d c ht jede G das Risiko k ritisch, un d d er Anford e o lgen. e nd betrach t n digen Erg ä e inen. dargestellt, u einem ei n e llen von C O Partialmo d n dung et a E NS h end besc h M ethoden z A und FT A d ik CONSE N d entifiziert e d ar. e fahr auto m als tolerier b d aus der G e rung über e t et, lassen s ä nzungen i fasst diese n heitlichen P O NSENS v d ell "Gefah r a blierter h riebenen E z ur Risikoa n A wird das i m N S e n Gefahre n m atisch ei n b ar eingest u G efahrenana l e instimmen d s ich die zu r i n einem z s Gefahren a P artialmod e v erknüpft. r en " Analyse E rweiterun g nalyse mit m Folgend e n Sicherhe n er Sicherh e u ft werden l yse unmitt e d mit der K r systemati s usätzliche n a uswirkun g e ll zusamm e method e g en (Partia l CONSEN S e n kurz ski z i tsanforder u e itsanforde r kann. Ist e i e lbar abgel e K lassifikati o s chen Gefa h , kohärent e g en, Gefähr d e n und ist e n in Ve r m odell „G e S kombinie r ziert. S u ngen abg e r ung zuge o ine Anford e e itet, so ka n o n des zug e h ren und R i e n Partial m d ungssitua t e ng mit de n r bindung efahren“) l r en. Anha n eite 93 e leitet o rdnet e rung n n die e hö r i- i si k om odell ionen üb r imit l assen n d der Seite 3.3. 1 B ild VD A 12) [ erste SEN Dies e FM E che n tial m SEN alle m 3.3. 2 Offe n mitt e geht Fehl e Stru k hin z che n b ere i gun g ren, w We n Syst e auf G lich. 94 Ko m 1 12: Anwe n A beschreib t [ VDA10]. A e llen. Diese N S ableiten. e sind dur c E A lassen s n und Ausw i m odell „Ge f N S lassen si c m zusamme n Ko m 2 n sichtliche e ls eines F e eine im P a e rbaum ei n k tur des Fe h z u Basis-E r n icht weite i ts identifi z g en lassen s w elche das n n sich in d e e mkompon e G rundlage e m bination n dung eine r t das meth o A ls erstes s i lassen sic h Zu den St r c h das Fun k ich nun zu i rkungen i d f ahren“ in C c h die Risi k n ergeben s m bination Gefahren k e hlerbaums a rtialmodel l n . Die Wirk h lerbaums. r eignissen h r untersuc h z ierte Gefa h ich Abstell m mit der Ge f e r Konzept p e nten ange b e iner gegeb e von FME A FMEA in V o dische Vo r nd die Stru k h aus der W r ukturelem e k tionsnetz i n den Funk t d entifiziere n C ONSENS k osituatione n i ch klassifi z von FTA u k önnen, bas analysiert l „Gefahre n struktur un d Diese wir d h eruntergeb r h t werden. S h r tatsächli c m aßnahme n f ahr verbu n p hase berei t b en lassen, e nen maxi m A und CO N V erbindung r gehen bei d u ktureleme n W irkstrukt u e nten sind i n CONSE N t ionen jew e n . Diese ge h ein. Über n und mög l z ierbare Ri s u nd CON S ierend auf e werden [ D n “ identifiz i d die Anw e d basierend r ochen. Di e S ie beschr e c h eintrete n n in Form v n dene Risik o t s Werte zu dann ist e i m alen Eintr i N SENS mit CONS E d er Erstell u n te des zu u n u r und de m i n der FM E N S ebenfal l e ils Fehlfu n h en als Inh a die Anwe n l iche Abwe h s iken. S ENS e inem Syst e D or15], [D G i erte Gefah e ndungssze auf der Sy s e Basiserei g e iben, unte r n kann. Au s v on Sicherh e o minimier e Ausfall- o d i ne quantit a i ttswahrsch e Schäfer, Sto l E N S u ng einer F M n tersuchen d m Umfeldm E A Funktio s gegeben. k tionen, so a lte in das n n dungssze n hr maßnah m e mmodell n G 12] (siehe r als Top- E n arien ind u s temmodell g nisse sind r welchen B s gehend v o e itsanforde r e n. d er Reparat u a tive Anal y e inlichkeit d l lt, Nyßen, D o M EA (sieh e d en Produk t m odell aus C o nen festzu l Im Rahm e o wie deren n eu ergänzt e n arien aus C m en ableite n n ach CON S Bild 13). D E reignis in u zieren dab e l spezifikati o Ereignisse , B edingung e o n diesen B r ungen for m u rraten ein z y se mit der der Gefahr o rocia k e Bild t es zu C ON- l egen. e n der Ursa- e Par- C ON- n . Aus S ENS, D abei einen e i die o n bis , wel- e n die B edinm uliez elner FTA mög- Erwe i B ild 4 Mit d es m mit m Eint r tion Sich e Eine nor m gen, kom b Dur c ist z u wäh r Neb e den prin z dies e men thod e Kon z wie d ren s Kon z und K i terung der E n 13: Anwe n Resü m d er Erweit e m öglich, Ge f m öglichen G r ittswahrsc h des Gefah r e rheit. systematis m ativ gefor d welche si c b inieren la s c h die Verk n u dem die D r leistet. e n den in d der Sicher h z ipiell früh z e m Zusam m [Dor15]. Z e n zur Ab s z ipierung a u d iese zu ge s s ind Hilfs m z ipierung n K ombinati o n twurfsmetho d n dung eine r m ee und e rung von C f ahren zu e G efahrenau s h einlichkeit r enrisikos. D che und v o d ert. Sie ka n c h auf Bas s sen. n üpfung de D urchgängi g iesem Beit r h eitstechni k z eitig berei t m enhang er Z um einen g s icherung d u f Basis d e s talten sin d m ittel zur A u n otwendig, w o n der für s e d ik CONSE N FTA in Ve r Ausblic k C ONSENS u e rfassen. D a s wirkunge n , Abwehrm D ies ist ko n o llständige R n n auf Basi s i s der vor g s Partialmo g keit und N r ag aufgef ü k wie PH A t s in der K o g ibt sich e i g ilt es die F d er Sicherh e e r Spezifik a d , um diese n u swahl von w elche de n e ine Entwi c N S r bindung m k um ein zus a bei werde n n kombinie r m öglichkeite n n form zu d R isikoanal y s etablierte r g estellten E o dells „Gef a N achverfol g ü hrten Met h A , SHA, E T o nzipierun g i ne Reihe v F rage zu kl ä e it eines te c a tion der P r n frühzeitig Methoden n Entwickle r c klungsauf g it CONSE N ätzliches P a n Gefährdu n r t. Die Einb i n und Sch w en gängige n y se wird in r Methoden E rweiterun g a hren“ mit d g barkeit de r h oden gibt e T A, HAZO P g eingesetzt v on potenti ä ren, welch e c hnischen S r oduktkonz e e n Einsatz z zur Absic h r bei einer g abe adäqu a NS a rtialmodel l n gssituatio n i ndung von w ere erlaub t n Normen z der funkti o wie FME A en mit C O d en andere n Sicherheit s e s weitere e P , Markov - werden k ö e llen weite r e der viele n S ystems si c e ption eins e z u e r mögli c h erung der S effektiven a ten Metho d S l „Gefahre n n en system a n Kenngröß e t eine Klas s zur funkti o o nalen Sich e A und FTA O NSENS n a n Partialmo d sbetrachtu n e tablierte M - Ketten et c ö nnen [Eri0 e rführenden n etablierte n c h bereits i e tzen lasse n c hen. Zum Sicherheit i Suche, Au s d en unterst ü eite 95 n “, ist a tisch e n für s ifi k a- o nalen e rheit erfol- a htlos d ellen n g ge- M ethoc ., die 5]. In Then Men der n und an d e- i n der s wahl ü tzen. Seite ßen g die A phas e lich e mat h Ent w Anp a wah l tech n rung e auf d ken d lässl i ziel o erm ö mod e wird ram e Ziel f schä t B ild Aus eini g und d wer d 104 g egeneina n A uswahl ei n e zu verleg e Betriebsp u h ematische w ickler mit d a ssungen d e l der Kom p n ische Grö ß en, ob kon z d ie System d d en Lasten u i chkeit, od e o ptimierung ö glichen, w e ll manuel l in Abhäng e ter und di e f unktion fü r t zungen de s 1: B isher i namik u der manu e g e schwerw i d er starken d en, wodur c n der abgew o n es geeign e en, indem m u nkte besti m Modelle d e d er vollen K e s Systemv p onenten b e ß en wie Re g z eptionelle r d ynamik [ G u nd darüb e e r einzelne als Zielgr ö w ird aktuell l abgeleitet igkeit der L e zugehöri g r die Syst e s Entwickle i ges und in t u nd Verläs s e llen Ablei t i egende N a Interaktio n c h das real e o gen werd e e ten Komp r m ittels mo d m mt werd e e r Zielgröß K omplexitä t erhaltens k ö e ziehen, ko g lerparame t r , konstrukt i G RS+14], d i r die Zuve r Aspekte w ö ße berück s ein Model l wie in Bi l L asten der K g e System d e mzuverläs s r s. t egriertes V s lichkeit in d t ung eines a chteile. Au n der Kom p e Ausfall- u e n. Selbsto p r omisses v o d ellbasierte r e n [GRS+1 en als Zie l t des Produ k ö nnen kon z o nstruktiv u t er und -str i ver oder s o i e wiederr u r lässigkeit d w ie etwa di e s ichtigt we r l der Syste m l d 1 links K omponent e d ynamik e r s igkeit erf o V orgehen z u d er Mehrzi e Modells d e u fgrund der p onenten k ö u nd Versch l p timierende o n der Ent w r Mehrzielo p 4]. Dazu i s l funktionen k tes konfro n z eptioneller u mgesetzt w ategien ein s o ftwaretec h u m die auf e d es Syste m e Zuverläss i r den, um e i m zuverläss i dargestellt. e n, die sic h r gibt, bere c o lgt ebenfa l u r geschlos s e loptimieru n e r Systemz u Komplexit ä ö nnen nicht l eißverhalte n K Systeme s i w icklungsp timierung s t es aller d zu formul i n tiert wird. Art sein, s w erden ode r s chließen. A h nischer Ar t e inzelne K o m s beeinflus i gkeit, inn e i ne Verhalt e i gkeit aus e Die Syste m durch die O hnet. Das l ls auf Gr u s enen Mod e ng u verlässigk ä t mechatr o alle Aspek t n nicht vol l K aul, Meyer, ind in der in die Bet r zahlreiche d ings notw e i eren, wob e s ich auf die r auch soft w A lle diese Ä t , haben Ei n o mponente n st. Soll di e e rhalb der M e nsanpassu n e inem Dyn a m zuverläss i O ptimieru n Aufstellen u ndlage de r e llierung d e k eit ergebe n o nischer Sy s k te berücksi c l ständig ab g Sextro L age, r iebsmög- e ndig, e i der Ausw a r e- Ä n d en fluss n wir- Ver- M ehrn g zu a mik- i gkeit n gspaeiner r Ein- e r Dyn sich s teme c htigt g ebil- Integ r det w Ver ä Verl ä auc h (Bil d digk e 3 [GF D dem Gest a verf o schi e Stär k kom p unte r über g schr e [BM te s p tems Mo d zu e r Bei d grie r rung keit h Die a aus S gen. lung s als B Ein A wird Ene r Erst e Das auss c Aus f r ierte Modelli w ird. Mit j e ä nderung d e ä sslichkeit s h ineffizient . d 1 rechts) i e it als auch Stand D +09] lief e Verhalten alt abbilde n o lgt, sonde r e dlichen As k er fokussi e p lexer Sys t r teilen lass e g reifend z u e ibung wie L07]) als a u p ezialisierte ) oder Alt d ellierungs w r weitern ([ P d e genannte r te Modelli e der Syte m h alber erw ä a utomatisi e S ysML-Mo d Das meth o s prozess ei n B asis einer Z Ansatz zu r in [Sch11 ] r gieversorg u e llung von Z Vorgehen c hließlich d f allraten m ü erung der Dy n e der Anpas e r Systemd y s modell akt u . Eine auto m i st in der L a die Effizie n der Tec h e rt einen u m des Syste m n . Dabei w r n es werd e pekte aufg e e rt auf ein e t eme sind z e n. Der ers t u beschreib e SysML, M O u ch auf die Sprachen w aRica. De m w erkzeuge w P M01], [H M n Modelli e e rung verw m zuverlässi g ä hnt. e rte Erzeug u d ellen wir d o dische Vo r n gebunden . Z ielfunktio n r integriert e ] vorgestel l u ng von F l Z uverlässi g ist auf ele k d urch Zufa l ü ssen vom B n amik und de r sung des M y namik ode r u alisiert w e m atisie r te A a ge den En t n z bei der M h nik m fangreich e m s weitere A w ird allerdi n e n einzeln e e baut. e integriert e z ahlreiche V t e Ansatz v e e n. Hier fin d O DELICA u Modellier u w ie LARE S m gegenüb e w ie Matlab / M 08]). rungsansät z e ndet. Ziel g keit, qualit a u ng einer F d in [DIK1 0 r gehen zur Qualitativ e n zur nume r e n Modelli e l t. Es werd e l ugzeugen e g keitsblock d k trischen K l lsausfälle b B enutzer ei n r Verlässlich k M ehrzielopt i r -struktur a e rden. Dies e A bleitung e i t wickler zu M odellbild u e n Überblic A spekte wi n gs kein a u e , nicht dir e e Modellier u V erfahren, d e rsucht ein d en sowoh l und VHD L u ng von Dy n S (Langua g er steht d e / Simulink m z e wurden der Verlä s ative Mod e F MEA (Fe h 0 ] vorgestel l Modellbil d e Methode n r ischen Me h e rung von e n MODE L e rstellt un d d iagramme n K omponent e b eschriebe n n gegeben w k eit mechatro n i mierungsp r a uf, sonder n e r Prozess i nes Model l unterstütz e u ng zu erhö h k über bes t e etwa die u tomatisch e kt gekopp e u ng von D y d ie sich in System in t Sprachen z L -AMS An w n amik und g e for REc o e r Ansatz, m ittels zus ä in zahlreic h s slichkeits m e lle werden h lermöglich k l t und ein V u ng mit S y n wie die F h rzieloptim i elektrische n L ICA-Bibli o d ein Algo r n und Fehl z e n beschrä n n wird. Le b w erden. n ischer Syste m r oblems tri t n es muss a i st sowohl f s der Syste m e n und sow o h en. t ehende A n Ziele, die S synchroni s e lte Model l y namik un d zwei Mod e erdisziplin ä z ur umfass e w endung ([ D V erlässlich nfigurable bestehende ä tzlichen P r h en Arbeit e m odelle ist e daher nur k eits- und - V ergleich z u y sML wird F MEA kön n i erung gen u n Systeme n o theken zu r r ithmus zu r z ustandsbä u n kt, deren A b ensdauerin f m e Se i tt nicht nu r a uch manu e f ehleranfäll m zuverläss i o hl die Vol n sätze, die n Struktur u n s iertes Vor g l e für die u d Verlässli c e llierungsa n ä r und do m e nden Syst e D IK10], [S c h keit ausger i dependabl e e multido m r ogrammp a e n für eine e ine Quant i der Vollst ä - einflussan a u AltaRica in den Ent w n en jedoch u tzt werden . n in Flugz e r Simulati o r automatis i u men vorg e Ausfallver h formatione n i te 105 r eine ll das ig als i gkeit lstänn eben n d die g ehen u nterc hkeit n sätze änen- e mbec h11], i chte- e Sysänen- a keten inte- i fizieä ndig- a lyse) gezow icknicht . e ugen o n der i erten stellt. h alten n wie Seite In [ B Ent w b esc h Aus f den E Eine dien t Zur B wird Ko m den B Verl ä sam m fallr a In [ P men fahr e und i Ein lab/ S che B nich t Alle n lich k tom a den N im W 4 Die i sche n tem k gen u den. reic h einz e Das der M Eval u 106 B ML07] w i w icklungspr h reibung i n f allverhalte n Einfluss d e domänen ü t ausschlie ß B ewertung in [MSS+ m ponenten d B elastunge n ä sslichkeit m enhang z w a te nicht i m P M01] wir d aus Matla b e nanalyse m i st damit a u teilautom a S imulin k - M B enutzerei n t zur Ableit u n Ansätzen k eitsmodell , a tisch durc h N utzen sta r W ege steht. Integr i i nterdiszipl n Systems k enntnis. S o u tzt werden , Es wird m i h ert und un t e lnen Dom ä Systemmo d M ehrzielop t u ation der i rd eine M ozess elekt r n VHDL- A n s des Syst e e r Degrada t ü bergreifen d ß lich der Be der Zuverl ä 13] das L A d es System s n und die n des betrac h w ischen S y m Modell se l d ein Algo r b /Simulin k - m ittels HA Z u f umfangre a tisierter A M odellen wi r n gaben ang e u ng einer Z ist gemein , beispiels w h geführt wi r r k einschrä n i erte Mo d inäre Betr a im Rahme n o ll das inte , müssen a l i t allen not w t er Berücks i ä nen ausge w d ell und da s t imierung v Systemzuv e M ethode zur r onischer S A MS wird e e ms durch g t ion auf da s d e Modelli e schreibung ä ssigkeit ei n A RES-Fra m s in Abhän g n icht-deter m h teten Syst e y stemkonfi g l bst bestim m r ithmus zur M odellen v Z OP (HAZ a iches Benu t A lgorithmu s r d in [HM 0 e wiesen un d Z ielfunktion , dass die S w eise über v r d sondern n kt und de r d ellieru n a chtung vo n n einer int e grierte Sys t l le für die Z w endigen I n i chtigung a l w ertet. s Modell d e v erwendet w e rlässigkeit Berücksic h S ysteme di s e ine Mont e g eführt und s Betriebs v e rung ist m elektronis c n es selbsto p m ewor k ver w g igkeit der a m inistische V e ms zu eva l g uration un d m t, sondern automatisi v orgestellt. a rd and O P t zerwissen u s zur Du r 0 8] beschri e d eignet sic h . S ynchronis a v eränderte A noch imm e r Einbettun g n g n Dynamik e grierten M temmodell Z ielfunktio n n formation e l ler auftret e e r Systemz u w erden. So ohne For m h tigung de r s kutiert. A u e -Carlo-Si m evaluiert. D v erhalten el e m it VHDL - c her Schalt u p timierende w endet vor . a us der akt u V erhaltens a l uieren. D a d -verhalte n muss exter n erten Able i Der Algori t P erability s t u nd -einga b r chführung e ben. Das V h aufgrund a tion zwisc h A usfallrate n e r eines B e g in ein M e und Verlä s odellierun g im Rahm e n en releva n e n zur Abb i e nden Wec h u verlässig k werden kr i m ulierung e K r Systemz u sgehend v o m ulation zu r D ie Metho d e ktronische - AMS nich u ng. n mechatro n . Es werde n u ellen Situ a a daption m o b ei wird al n zur aktu e n vorgegeb e i tung von F t hmus basi e t udy) für j e b en angewi e einer F M V orgehen is t seines qua l h en Dyna m n oder Last e e nutzereing r e hrzielopti m s slichkeit e i erfordert u n der Meh r n ten Modell i ldung der Z h selwirkun g eit können i tische Ko m i nes Mehr z K aul, Meyer, u verlässigk e o n einer S y r Abbildun g d e berücksi c e r Kompon e h t möglich o nischen Sy n die Hard w a tion result i o delliert, u m l lerdings d e e ll gültigen en werden. F ehlzustan d e rt auf ein e e de Komp o e sen. M EA aus s t auf umfa n l itativen M o m i k - und V e en, nicht v o r iffs bedar f m ierungspr o i nes mech a u mfassend e h rzieloptimi e l e integrier t Z ielgrößen g en zwisch e unabhängi g m ponenten d z ieloptimie r Sextro e it im stemg des c htigt e nten. – sie s tems w are- i erenm die e r Zu- Aus- d sbäu- e r Ge- o nente Matn grei- o dells e rläss- o llauf , was o blem t roni- e Sys- e rung t werange- n den g von d urch u ngs- Integ r prob l sour c dar. Im E mik e Mo d aspe k Ko m Dyn a wie A Die A eine r Zent r eine n 4.1 Der i ten A ein t o dyn a keit rech n Die Z Maß e fluss Ko m Um d erm o mod e nich t dell d dun g von d Im Z me e spre c daue inne r nent e r ierte Modelli l ems identi c enschone n E ntwicklun g e inen groß e d ell des dy n k ten, z.B. m ponenten i m a mikmodel l A usfallrate A bbildung r Transfor m r ales Ziel i n hohen Au t Syste m i ntegrierte n A bleitung e opologieor i a mischen S y simuliert w n ungsaufw a Z uverlässi g e die Verl ä t die an de n m ponenten fü die Degra d o delle genu t e ll notwen d t auf baugl e d es dynam i g der Laste n d er Simula t Z uge einer H e rfolgt die c hend dem rmodelle z u r halb der B e n oder Ba u erung der Dy n fiziert und n den Ansat z g sprozess m e n Stellenw n amischen S Lebensda u m System, l s zu verli e oder Zuver der Zuverl m ation des i st, zusätzli t omatisier u m modell n Modellier u e ines Mode l i entierter M y stemverh a w erden, sod a a nd durchg e g keit der in ä sslichkeit d n Kompon e fü hrt zu De g d ation der K t zt. Dazu i s d ig, da die e iche Kom p i schen Syst e n auf die e i t ionszeit un d H ierarchisi e Bildung v o Aufbau d e u gewiesen w B augruppe ü u gruppen e n amik und de r Maßnahm e z zur Sicher s m echatronis c e rt. Das Sy s S ystemverh a u erinformat i erweitert w e ren. Weit e l ässigkeit, w ässigkeit d e Systemm o c he Benut z n gsgrad in d u ng von D y l ls der Sys t M odellierun g ltens kann a ss eine ge z e führt werd e einem Syst e d es Gesamt s e nten auftre g radation u n K omponent e s t für jede auftreten d p onenten ve r e mverhalte n nzel n en K o d den Opti m e rung und S o n Baugru p e s realen S y w erden, w o ü berschrieb e e ines Syste m r Verlässlich k e n können e stellung ei n c her Syste m stemmodel l a ltens, das i onen oder w ird, ohne d e re Lebens d w erden dan n e s betracht e o dells in e i z ereingabe n der Modell s y namik un d t emzuverlä s g sansatz zu g unabhängi g z ielte Ausl e e n kann. em enthalt e s ystems. D a e tenden Las t n d einer He e n abbilden Komponen d en Belast u rallgemein e n s muss im o mponente n m ierungspa r S trukturier u p pen im to p y stems. De n o bei dann L e n werden. m s werden k eit mechatro n e rgriffen w e n er gewüns c m e besitzt d l basiert da h um Inform a relevante d en zugrun d d auerinfor m n aus diese m e ten Syste m i n Modell n auf ein M s ynthese z u d Zuverläss i s sigkeit au s g runde (sie g vom Mo d e gung der D e nen Komp o a s dynamis c t en. Der Ei n r absetzung zu könne n t e im Syst e u ngen kom p e rt werden k Systemmo n erweitert w r ametern a b u ng kompl e p ologieorie n n Baugrup p L ebensdaue r Die Lebe n hierarchis c n ischer Syste m e rden. Dies c hten Syste m d ie Modelli e h er übliche r a tionen zu V geometris c d eliegende n m ationen de r m Modell e r m s erfolgt a der Syste m M inimum z u u gewährlei s i gkeit und d s einem Sy s h e Bild 2). d ell der Sy s D ynamik o h o nenten be s c he Syste m n fluss dies e der geplan t n , werden d a e mmodell e p onentenab h k önnen. Da s d ell um M o w erden. Di b . e xer mecha t n tierten Sy p en könne n r modelle v o sdauermod e c h betracht e m e Se i s stellt eine n m zuverläss i erung der D r weise auf e Verlässlic h c he Größe n n Charakter e r Kompon e rzeugt. a utomatisie r m zuverlässi u reduziere n s ten. d er automa t s temmodel l Das Mode stemzuverl ä h ne erhöhte n s timmt in h m verhalten b e r Lasten a u t en Lebens d aher Lebe n e in Lebens d h ängig sin d a s klassisch e o delle zur A i e Lasten h ä t ronischer S y stemmodel l n eigene L e o n Kompo n e lle der K o e t – das L e i te 107 n res- i gkeit D yna- e inem k eitsn der eines e nten, r t mit g keit. n und t isierl liegt ll des ä ssign Beohem b eein- u f d ie d auer. n sd a ud auerd und e Mo- A bbilä ngen S ystel ent- e bensn enten o mpo- e bens- Seite daue verl ä Syst e eine Um Ko m des S Last e stim m che n eine n mög l halt e Es w dyn a onsa u Qua n und d Die dell durc h mik m der a ten S B ild Die i dell e Man ö Deg r 108 rmodell au ä ssigkeit ei n e mmodell v konsistent e die Abhän g m ponenten m S ystemmo d e n auf die K m t. Es wir d n d kleiner I n Bewegu n l ichst gut a b e n im Rah m w ird eine k o a mischen S y u fwand be g n tifizierung d er System z Berechnun g wird für d h geführt u n m odells üb e a uftretende n S ystems nic h 2: System m i m charakt e e n der Ko m över berec h r adation de r f der höch s n , darunter l v orhan d ene e Abbildun g g igkeit zw i m ittels Leb e d ells auf zw K omponent d das Dyn a I ntegrations n gsablauf d b bildet, un d m en der Me h o nsistente B y stemverh a g renzt. Aus des Syste m z uverlässig k g der Syst e d ie Betrieb s n d liegt im e r die gesa m n Lasten ist h t mehr du r m odell un d e ristischen M m ponenten k h net. Für di r Kompone n s ten Hierar c l iegende L e Hierarchis i g im Zuverl ä i schen dyn a e nsdauerm o e i untersch i e n werden m a mikmodel l schrittweit e e s betrach t d ist identis c h rzieloptimi B ehandlung a ltens und d de m char a m verhalten s k eit möglic h e mzuverläs s s dauer des Bereich v o m te Betrie b nicht sinn v r chführbar. abgeleitet e M anöver b e k umuliert u n e äquivale n n te bestim m c hieebene g e bensdauer m i erung der K ä ssigkeits m a mischem S o dellen ab b i edlichen Z mittels ein e l für ein c h e simuliert. t eten Syste m c h mit dem i erung opti m g des Syste m d er Optimi e a kteristisch e s mittels d e h sein. s igkeit aus betrachtet e o n Stunden b sdauer des v oll und mi t e s Zuverläs s e rechneten L n d eine äq u n te Last ka n m t und die L g eht in die m odelle we K omponen t m odell über n S ystemver h b ilden zu k ö eitskalen n o e r Simulati o h arakterist i Das char a m s dar, de Betriebszy k m iert wird. m modells w e rung gew ä e n Manöve r e r Zielfun k dem abgel e e n Systems bis Jahren. Systems z u t steigende r s igkeitsmo d L asten wer d u ivalente L a n n mittels e i L ebensdau e K Berechnun g r den verna c t en in Bau g n ommen. h alten und ö nnen, ist e o twendig. D o n des Dyn a i sches Man a kteristisch e r die tatsä c k lus für de n w ährend de r ä hrleistet u n r muss ein e k tionen der e iteten Zu v auf der z w Die Simu l u r vollstän d Komplexi t d el l d en in den L a st für das c i ner Energi e r ermittelt K aul, Meyer, g der Syst e c hlässigt. D g ruppen wi r Degradatio e ine Berec h D ie dynami s amikmodel över mit h e Manöver c hliche N u n das Syste m r Simulati o n d der Si m e aussagekr ä Systemdy n v erlässigkei t w eiten Zei t l ation des D d igen Abbi l t ät des betr a Lebens d au e charakteris t ebetrachtu n werden. D i Sextro e mzu- D ie im r d für n der h nung s chen l s beh inreistellt tzung m vern des m ulatiä ftige n amik t smot skala D ynal dung a chte- e rmot ische n g die i e Le- Integ r b ens d Mitt e b ere c Fail u Das Wei b sind Zuf a kön n ist e s Opti m Die Z sigk e halt e lässi g dan n 4.2 Zent r sche r Zuv e Das Die M wer d sche n kaus a le d e sen u Der T in d e tem a keits Ebe n for m eine r ierte Modelli dauer wir d e lwerte ein c hnete Leb e u re), der K o Ausfallver h b ull-Verteil u die Param e a llsausfälle n n en mittels d s möglich, d m ierungsp a Z uverlässi g e itsmodells e ns einzeln e g keitsmod e n eine Zielf u Transf o r al für die i r Systeme i e rlässigkeit s Zuverlässi g M odellstru k d en. Je nac h n den Ko m alen Ausfa l e s Zuverläs s u nter ander e T ransform a e r Modellbi l a ls ausgefa l modell üb e n e des Syst e m ation kein e konsistent e erung der Dy n d unter der er Menge a e nsdauer a l om ponente b h alten mas c u ng beschr i e ter der Ve r n unterwor f d er MTTF b d ie Zuverl ä a rameter zu g keitswerte d ein. Es ste l e r Kompon e e lls liefert d u nktion für d o rmatio n i ntegrierte M st ein Algo r s modells a u g keitsmode l k tur kann a h vorliegen d m ponenten a l lverhalten d s igkeitsmo d e n Kompon a tionsalgori t l dung berü c l len gilt, w i e rtragen. D e mmodells e direkte I n e Modellbil d n amik und de r Annahme a n bauglei c l s Mittelw e b etrachtet w c hinenbaul i i eben werd e r teilung be k f en. Die u n b erechnet w ä ssigkeit de r ermitteln. d er Kompo l lt die Abh ä e nten auf d a d ie Syste m d ie Mehrzi e eines Z u M odellieru n r ithmus zu r u s dem Syst e l l umfasst s a us der An a d em Dyna m a nalysiert w d er Kompo n d ells werde n e ntenzuver l t hmus mus s c ksichtigen . i rd vom Al g D ie Parame statt. Der B n teraktions m d ung im Ra h r Verlässlich k berechnet, c hen Kom p e rt der aus f w erden. i cher Prod u e n. Für vie l k annt [Bir0 7 n bekannten w erden. Un t r Kompone n o nenten geh ä ngigkeiten a s Gesamts y m zuverlässi g e loptimieru n u verlässi g n g von Dy n r vollständi g e mmodell. s owohl str u a lyse der I n m ikmodell k w erden, um n enten zie h n in der Pa r l ässigkeite n s unterschi e . Die Benu t g orithmus i e trierung d e B enutzer h a m öglichkeit h men der O k eit mechatro n dass die g p onenten a b fa llfreien Z e u kte kann i l e Maschin e 7 ]. Elektro n Parameter t er Annah m n ten über d e n in die P a und die A u y stem dar. E g keit über d n g syntheti s g keitsm o n amik und Z g automati s u kturelle al s n teraktion d k önnen beis p Rückschl ü h en zu könn r ametrierun g n oder Red u e dliche Def i t zervorgab e i n geeignet e e s Zuverlä s a t aufgrun d mit dem Z O ptimierun g n ischer Syste m g ewählten M b bilden. De m e it, MTTF i n guter N ä e nelemente n ische Baut e der Verte i m e einer Ve r d er Zeit in A a rametrieru n u swirkunge n E ine Auswe r d er Betrie b s iert wird. o dells Z uverlässig ierten Tran s auch qua n d er Kompo n p ielsweise S ü sse auf A b e n. Die qu a g berücksic h ndanzinfor m nitionen de e , wann das e r Form in s sigkeitsmo d der auto m Z uverlässig k g siteratione n m e Se i M odellpara m e mnach ka n (Mean Ti m ä herung m i , wie Wälz e ile sind z u i lungsfunk t r teilungsfu n A bhängigk e n g des Zu v n des Ausf a e rtung des Z b sdauer, a u g keit mech a n sformation n titative A n n enten abg e S ignalpfad e b hängigkeit e a ntitativen A c htigt und u m m ationen. e s Systema u betrachtet e das Zuverl ä o dells find e m atisierten T k eitsmodel l n gewährle i i te 109 m eter n n die m e To i t der l ager, u meist ionen n ktion e it der erläs- a llver- Z uver- u s der t ronieines n teile. e leitet e zwi- e n im A nteim fas- u sfalls e Sysä ssig- e t auf T rans- , was stet. Seite 4.3 Das metr i Dyn a Die P tisc h ter K defi n zer i d abge Der kan n Ko m eine funk t han d den S keits Das tung Die E find e größ e Syst e nun g mal m ein m nent e ten K Eing Aus w Ko m Para m nen a 4.4 Das b sigk e tem e 110 Param e Systemmo d i ert. Diese a mik und d e P arametrie r h en Manöv e K enngrößen n iert und k a dentifiziert e bildet. Ausfall ei n n die gewü n m plexe mec h große An z t ion leiste n d der Funkt i S ystemaus f modells üb unerwünsc h eines Tole r E ingabe v o e t über die en des Zuv e mverhalte n g einer Ko m m odell des m al eingebu n e n ist so ni c K omponent e g abe von A w ertung ei n m ponentenp a m etern des a usschließl i Einbet t b eschriebe n e itsmodells e im Entwic k e trierun g d ell wird v o Parametrie r e r Zuverläs s r ung des Z u e rs, eines k r . Das char a a nn hier ern e Eingänge n es beliebi g n schte Fun k h atronische z ahl an Ne b n , wie etwa i onen eines f alls vorne h er die Defi n h te Ereign i r anzbandes o n verlässli c GUI der K o erlässigkei t n s ab. So k a m ponente i n dynamisch e n den sind. c ht abbildb a e n und ein L A usfallraten n es Lebens a rametern, w Modells d e i ch der Par a t ung in M n e System m können i m k lungsproz e g des Zu v o rzugsweis e r ung ist in s igkeit. u verlässigk e r itischen Er e a kteristisch e eut verwen d des Syste m g en System s t ion des S y Systeme b e b enfunktio n Komfortf u mechatron i men. Dies k n ition eines s kann bei s für ein beli c hkeitsrele v o mponente n t smodells h ä a nn es für R n der GUI a n e n System v Eine Reko n a r. Hier mu s L ogikelem e oder Kom p dauermode l w ie etwa G e e s dynamis c a metrierung M ehrzielo p m odell und d m Rahmen d e ss angewa n v erlässig k e über eine zwei Absc h e itsmodells e ignisses u n e Manöver i det werden m modells u n s ist an di e y stems nich t esitzen neb n en, die ke i u nktionen i m i schen Sys t k ann in A b s unerwüns c s pielsweise ebiges Sig n v anten Ken n n im Syste m ä ngt von d e R edundanz e nzugeben. D v erhaltens, n figuration s s das Dyn a e nt zur Rek o p onentenz u lls nicht m e ometrie o d c hen Syste m der Leben s p timieru n d ie automa t d er Optimi e a ndt werde n k eitsmod e GUI (Gra p h nitte unte r umfasst di e n d allgeme i i st bereits fü . Im Model n d geeigne t e zu erfülle t erfüllt we r en einer H a i nen unmit t m Automo b t ems eine D b hängigkeit c hten Ereig n das Ausb l n al innerhal b n größen u n m modell st a e r Modellie r e n ausreich e D ieses Vor g in dem re d bei der N u a mikmodell o nfiguratio n u verlässigk e m ehr notwe n d er Werkst o m verhalten s s dauermod e n g t isierte Tra n e rung kom p . K e lls p hical Use r r teilt – auf e Definitio n i ner verläss fü r die Meh r l wird es d u t definierte n de Funkti o r den, gilt e s a uptfunktio n elbaren Be i b il. Der B e D efinition d e des gewäh l n isses durc h eiben oder b des Syste m n d Kompon a tt. Die Ei n r ungstiefe d e nd sein, di e g ehen führ t d undante K o u tzung redu n des Syste m n enthalten . e iten mögli c n dig ist. D o ffkenngrö ß s zu unters c e lle der Ko m n sformatio n p lexer mec h K aul, Meyer, r Interface) die Model l n des chara k s lichkeitsrel h rzieloptimi e u rch vom B Eingangsg r on gebund e s als ausge f n typischer w itrag zur H e nutzer mu s e s zu betra c l ten Zuverl ä h geführt w e die Übers c m modells s n entenpara m n gabe von K d es dynami s e Redunda n t zu einem M K omponente n u ndanter K o m s alle redu n . Daneben i c h, wodur c D ie Eingab e ß en, sind vo c heiden un d m ponenten. n eines Zu v h atronische r Sextro pa r al e der k terisevan- e rung B enutr ößen e n — f allen. w eise H aupts s anc htenä ssig- e rden. c hreis ein. m etern K enns chen n zo r d- M inin nur o mpon d a n- i st die c h die e von n den d dieerläs- r Sys- Integ r Nu m im O ten b und b ten s In d e ter a u rech n Ko m der O der Z 5 Die keits sam m mit P delli e verl ä Ein dells lung s Die v xer m sigk e der D Arb e rend e was grie r Lit e [Bir0 7 [BM L [DIK 1 [GF D r ierte Modelli m erische M e O ptimierun g b eeinflusst, b ewertet. U s tattfindet, w e n Iteration s a ufgrund de n ung der a k m ponenten w O ptimierun g Z uverlässig k Resü m zentralen A modells au m enführun g P arametrie r e rung des b ä ssigkeit üb e Systemmo d ermöglic h s prozess be v orgestellt e m echatroni s e it vom dy n D egradatio n e iten kann d e r Geometr zu einer v o r ten Modell i e ratur 7 ] B IR O L 07] B ES T Mic r 1 0] D AV I Sys M D +09] G AU S tion o 223, erung der Dy n e hrzielopti m g salgorithm u und das r e U nter der A n w ird das Z u s schritten d r veränder t k tuellen S y w erden aus g gewonne n k eit in eine r m ee und A spekte di e s einem Sy g von Leb e r ung aus d e b etrachtete n e r die gesa m d ell, das ei n h t, entlastet reits in frü h e integrierte s cher Syste m n amischen S n der Kom p d ie Unters u ie- und Par a o llständige r i erung führ e O LINI , A.: Reli a T ORY , C.; M A R r oelect r onics R I D , P.; I DASIA K M L, In: Relia b S EMEIER , J.; F o f self-optimi z 2009. n amik und de r m ierungsve r u s mit jede r e sultierend e n nahme, da s u verlässigk e d er Optimie r en dynami s y stemzuver l der Simu l n . Der zusät r Zielfunkti o Ausblic k e ser Arbeit stemdyna m nsdauermo d e m System d n Systems a u m te Betrieb s n e automat i den Benut h en Phasen Modellier u m e ermögli c S ystemver h p onenten a u u chung des a meteränd e r en Abbild u e n würde. a bility engine R C , F.; L EVI , H R eliability 47. K , V.; K RATZ , b ility Enginee r F RANK , U.; D O z ing mechatr o r Verlässlich k r fahren arb r Iteration v e Verhalte n ss keine R e e its m odell z r ung findet s chen Last e l ässigkeit s l ation des c t zliche Ber e o n wird so s k sind eine r m ikmodell u d ellen ein z d ynamikmo u f zwei Ze i sdauer. isierte Tra n t zer erhebli c signifikant u ng der Dy n c ht die Ab b h alten. Unb e u f die Dyn a Einflusses e rungen au f u ng mecha t e ering. Bd. 5, S H .: Statistical a 9, S. 1353-13 , F.: Reliabilit y r ing & Syste m O NOTH , J.; K A H o nic systems, k eit mechatro n eiten iterat i v ariiert, das n über die Z e konfigurat i z u Beginn d nur noch e e n auf die K tatt. Die d y c harakterist i e chnungsau f s tark reduz i r seits die S u nd anderer s z elner Kom p dell. Zentr a i tskalen zur n sformatio n c h und ist zu unterstü t n amik und d b ildung der e rücksichti g a mik des S y von Degr a f das dyna m t ronischer S S pringer, 200 7 a nalysis duri n 57, 2007. y study of co m m Safety, S. 4 3 H L , S.: Specif i Research in E n ischer Syste m i v; Parame t dynamisc h Z ielfunktio n on redund a d er Optimi e ine Anpass u K omponent y namische n i schen Ma n f wand zur B i ert. S ynthese ei n s eits die al g p onenten o a ler Bestan d Berechnu n n eines Zu v in der Lag t zen. d e r Verläss Abhängig k g t bleibt je d y stems. Ein a dation un d ische Syste S ysteme i m 7 . n g the reliabil i m plex physic a 3 1-450, 2010. i cation techni q E ngineering D m e Se i terwerte w h e Systemv e n en quanti f a nter Komp o e rung abge ung der Pa r t en und ein n Lasten a u n övers inn e B erücksicht i n es Zuverl ä g orithmisc h o der Baugr u d teil ist di e n g der Syst e v erlässigkei t g e, den Ent w s lichkeit ko m k eit der Zu v d och der Ei n Ansatz w e d daraus re s e mverhalte n m Sinne de r i ty simulation a l systems usi n q ue for the d e D esign 20.4, S . i te 111 erden e rhalf iziert o nenl eitet. r a m e- e Be- u f die e rhalb i gung ä ssigh e Zu- u ppen e Mo- e mzut smow ickm pleerläs- n fluss e iterer s ultien sein, inte- , In: n g e scrip- . 201- Seite 112 Kaul, Meyer, Sextro [GRS+14] GAUSEMEIER, J.; RAMMIG, F. J.; SCHÄFER, W.; SEXTRO, W.: Dependability of Self- Optimizing Mechatronic Systems, Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer Berlin Heidelberg, 2014. [HM08] HECHT, H.; MENES, R.: Software FMEA Automated and as a Design Tool, In: Proc of the Society of Automotive Engineers, 2008. [MSS+13] MEYER, T.; SONDERMANN-WÖLKE, C.; SEXTRO, W.; MARTIN RIEDL; GOUBERMAN, A.; SIEGLE, M.: Bewertung der Zuverlässigkeit selbstoptimierender Systeme mit dem LARES- Framework, In: 9. Paderborner Workshop Entwurf mechatronischer Systeme, S. 161-174, 2013. [MSK+13] MEYER, T.; SONDERMANN-WÖLKE, C.; KIMOTHO, J. K.; SEXTRO, W.: Controlling the Remaining Useful Lifetime using Self-Optimization, In: Chemical Engineering Transactions 33, S. 625-630, 2013. [PM01] PAPADOPOULOS, Y.; MARUHN, M.: Model-based synthesis of fault trees from matlabsimulink models, In: International Conference on Dependable Systems and Networks, DSN 2001. S. 77-82, 2001. [Sch11] SCHALLERT, C.: Inclusion of reliability and safety analysis methods in modelica, In: 8th International Modelica Conference, 2011. Autoren Thorben Kaul hat Maschinenbau an der Universität Paderborn studiert. Seit 2014 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Mechatronik und Dynamik der Universität Paderborn. Im Rahmen seiner Tätigkeit am Lehrstuhl befasst er sich mit der integrierten Modellierung von Dynamik und Verlässlichkeit mechatronischer Systeme. Tobias Meyer hat Maschinenbau an der Universität Paderborn studiert. Seit 2011 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Mechatronik und Dynamik der Universität Paderborn. Seine Forschung befasst sich mit der Nutzung von Selbstoptimierung zur Anpassung des Systemverhaltens zur Erhöhung der Verlässlichkeit. Walter Sextro hat Maschinenbau an der Leibniz Universität Hannover und am Imperial College in London studiert. Nach seiner Industrietätigkeit in Deutschland und den USA promovierte er 1997 an der Universität Hannover. Seine Habilitation hat er im Bereich dynamischer Kontaktprobleme mit Reibung verfasst. In den Jahren 2004-2009 hatte er eine Professur für Mechanik und Getriebelehre an der TU Graz inne. Seit 2009 leitet er den Lehrstuhl für Mechatronik und Dynamik der Universität Paderborn. Entwurf eines Tripod-basierten Inspektionssystems – Vom virtuellen Prototypen zum Vorseriensystem M. Sc. Arne Rüting, Dr.-Ing Christian Henke, Dr.-Ing. Andreas Warkentin, Prof. Dr.-Ing. habil. Ansgar Trächtler Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik Zukunftsmeile 1 , 33102 Paderborn Tel. +49 (0) 5251 / 54 65 433 , Fax. +49 (0) 5251 / 54 65 102 E-Mail: arne.rueti[email protected] Zusammenfassung Die exakte und automatisierte Positionierung von Sensoren in beengten Arbeitsbereichen mit einer Vielzahl von Hindernissen spielt heute gerade im Rahmen von Inspektionssystemen eine große Rolle. Nur dadurch können die immer weiter steigenden Anforderungen an die Qualität, die Sicherheit und die Zuverlässigkeit von Produkten erfüllt und gleichzeitig der Ressourcenaufwand sowie die dabei anfallenden Kosten reduziert werden. Bei der Entwicklung solcher Positioniersysteme ermöglicht der Einsatz von Mehrkörpersimulationen eine detaillierte Untersuchung des Systems anhand eines virtuellen Prototyps, sowie die exakte Absicherung der geforderten Eigenschaften, bevor ein reales Vorseriensystem aufgebaut wird. Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit dem Entwurfsprozess einer hybriden Kinematik zur Positionierung eines sensorbasierten Inspektionssystems innerhalb eines schlanken, konischen Arbeitsraumes mit innenliegenden konstruktions- und prozessbedingten Hindernissen. Es wird zunächst eine modellbasierte Analyse bestehender Systeme durchgeführt, bevor im Anschluss eine modellbasierte Eigenentwicklung näher betrachtet wird. Dabei wird auch der anhand eines virtuellen Prototypen durchgeführte Entwurf der zugehörigen Steuerungs- und Antikollisionsalgorithmen dargestellt. Schlüsselworte Modellbasierter Entwurf, Mehrkörpersimulation, hybride Kinematik, Co-Simulation, virtueller Prototyp Seite gen d der S müs s b iet e Aus g wic k Bild Tab e Univ e Robo Dens o ORC FES T Para - ABB Tric e An S y st e + An f o An f - An f 120 d e Prinzip fü S imulation s en, da dies e n und schl a g angspunkt k lung. 6: Übersi c e lle 1: Übe r K e rsal o ts UR10 o VS087 Explorer T O EXPT - Picker IRB940 e pt T805 n forderun g e m forderung vo l f orderung teil f orderung nic h fü r die ang e stellt sich e durch die a nk konstr u für die i m c ht der hyb r r sicht der E r K inemati k R Seriell Seriell Seriell Parallel Parallel Hybrid Hybrid l lständig erfül weise erfüllt h t erfüll t e strebte Po s h eraus, da s serielle K o u iert werde n m folgende n r iden Kine m r gebnisse d Horizontale R eichweite ≥ 2m - - o - - - - lt s itionierun g s s hybride K o mponente e n können. D n Kapitel b m atiken: a) d er modellb a ≥ Vertika l Reichweit e 2m - - o - - - - Rü t g eines Sen s K inematik e e ine gute S k D iese Erken n b eschriebe n IRB 940 [ A a sierten An a l e e ≥ Bewe g li in bee n Um g e b - - o - - o o t ing, Henke, W s ors geeign e n weiter b e k alierbarke i n tnis bildet e modellb a A BB03] b) T a lyse c hkeit ng ter b un g Nu t ≥ 5 + + + + W arkentin, Tr n et erschein t e trachtet w i t der Reic h t einen wic h a sierte Eig e T 805 [PK1 4 t zlast 5k g AT E + - + - - - - - o - + o + o ä chtle r t . Bei erden h weite h tigen e nent- 4 2-ol] E X - - - - - o o Entw u 3 Die V star k b lei b deru n So w b iets wie d theo r sche m zipl ö den d ßen e ung e reic h ermi t Elek t dire k lich e auf w onsa u funk t per m unte r lieru n nac h keits das V mus s len b lich k TCP kon u Entg nöti g und E Abh ä ome t der W Einf l nate n u rf eines Trip o Model V orgehens w k an den E n b en dabei w n gen werd e w erden aus s übergreife n d er modellb a r etische V e m Verhalte n ö sungen wi r d ie Erkenn t e inzelner K e fähr benöt i h des Mec h t telt, CAD - t ronikentw u k t Kompon e e n Schutzk l w eisen. Dab e u stausch z w t ionsfähige s m odell der P r Berücksi c n g sehr au f h lässigt, da d anforderun g V erhalten d s lediglich e b ereits anh a k eiten unte r der hybri d u sförmigen A g egen den E g ten Steuer u E lektronik e ä ngigkeit, i t rie des Po s W inkel der l uss auf di e n transform a od - b asierten I lbasiert e w eise bei d n twurfstec h w ie bei der m e n jedoch m s chließlich n den Konz i a siert, um a e rhalten de s n treffen z u r d eine fac h t nisse aus d K omponent e i gten Dreh m h anikentwu r - Modelle e r u rf werden e nten zu w ä l assen, hie r e i müssen e w ischen d e s Gesamts y P rinziplösu n c htigung vo n f wendige E f d as System g en hat. E s d es realen S e in Vorseri e a nd des Mo d r sucht wer d d en Kinema t A rbeitsrau m E ntwurfstec h u ngs- und e ntwurf stat t nsbesonde r s itioniersys t Antriebe d e Transfor m a tionen bas i I nspektionssy s e Eigene d er modell b h niken mec h m odellbasie m ittels der d o hybride K i i pierung w e a nhand ein e Systems b u können. F ü h gebietsspe z d er Mehrkö r e n, wie etw m omentber e r fs werden r stellt und M die Aktor e ä hlen, die d i r die ATE X e ine stetige e n einzelne n y stem zu e r n g fortwäh r n Effekten f fekte, wie e wie in den s entsteht e i S ystems so e nsystem a u d ells identi f d en können . t ik im Geg e m es gelang t h niken me c A ntikollisi o t , sondern g r e der benö t t e m s. So h a d es parallel k m ation. Da d i eren, könn e s tems ntwickl u b asierten E i h atronische e rten Analy s o rt gewon n K inematiken erden Prin z e s Mehrkör p b zgl. Erreic h ü r die als t h z ifische Ko n r persimula t w a den ben ö e ich eines A dann die e i M öglichkei t e n und Se n i e aufgrun d X -Zulassu n Abstimm u n Fachdis z r halten. Es rend zu a k wie Reibu n etwa das S p Anforderu n in virtuelle genau wie u fgebaut w e f iziert wird . In Bild 4 e nsatz zum t und somit c hatronisch e o nsalgorith m g esondert i m t igten Koo r a ben etwa Ä k inematisc h d ie Steueru n en diese e b u ng i genentwic k r Systeme. s e ermittelt n en Erkennt n betrachtet . z iplösunge n p ermodells h barkeit i m h eoretisch e n kretisieru n ion genutz t ö tigten Win k A ntriebs, fe i nsetzbaren t en der Fer t n soren aus g d der Umge b n g für exp l u ng und ei n z iplinen er f ist zudem k tualisieren n g zu erhö h p iel von G e n gen defini e r Prototyp erforderlic h e rden, da d e und entspr (rechte Se i Knickarm r die geford e e r Systeme m en nicht p m Anschlus s r dinatentra n Ä nderunge n h en System s n gsalgorith m b enfalls ers t k lung orien t Die Anwe (vgl. Kapi t n isse ergän z . Als Erge b n ermittelt. e ine erste A m Arbeitsra u e insetzbar e i n g durchge f t , um chara k k el eines G stzulegen [ T Kompone n t igung ber ü g ewählt [G b ungsbedin g osionsgefä h kontinuier l fo lgen, um erforderlic h und die D e h en [TOS11 e lenken, we e rt keine er h des Positio h abbildet. A e r Großteil e chende O p i te) ist dar g r oboter bis i e rte Erreich b findet der p arallel zu s . Grund d a n sformatio n n der Gelen k s zueinand e m en wiede r t im Ansch l Se i t iert sich w e ndungssze n t el 2), die A z t und präz b nis der f a Dies ges c A ussage üb e u m und dy n ingestuften f ührt. Dabe i k teristische G elenks od e TOS11]. I m n ten (Lage r ü cksichtigt. G SA+11]. E g ungen erf o h rdete Ber e licher Info r letztendlic h , das Me h etaillierun g ]. In der M e rden jedoc h r höhten Ge n o niersystem s Als Konse q der Proble m p timierung s g estellt, da s i n die Spit z b arkeit lief e Entwurf d e dem Mec h a für ist die s n en, von de k positione n e r einen di r r um auf K o l uss an de n i te 121 w ieder n arien A nfor- i siert. chgec hieht e r das n a m i- Prin- i wer- G r ö- e r den m Ber etc.) Beim s gilt o rder- e iche, r matih ein h rkörg stiefe M odelh vern auigs , der q uenz m stels mögs s der z e des e rt. e r beh ani k - s tarke r Gen oder r ekten o or d in Sys- Seite tem e tels e lauf. b en ö fähi g ent w zurü c ome t rech n mög l hert e Ger a tätsp Posi t dem s Bild sitio n Bild Die I sowi der f fizie r Soft w B& R tems te, d i 122 e ntwurf ent w e ines Joyst Zudem w i ö tigt. Dabei g en Betrieb w icklung vo n c kgegriffe n t rische Gr u n ungen zu r l ichen Sch n en Hindern i a de angenä h rüfung dur c t ioniersyste m s elben Urs p 7). Da es s n handelt g i 7 : Annäh r erkenn u I mplement i e die Koo r f achgebiets s r en. Zum a w are Auto m R exportiert genutzt w e i e zu einer R w ickelt we r icks ebens o i rd für ein e wird ein m auf einer I n Algorith m n . Ausgang s u ndkörper, u r eduzieren ( n ittpunkte z w i s und de m h ert wird, z u c hzuführen , m s und de r p rungspunk t ich um ein e i lt dabei, d a r ung von Hi u n g i erung erfo l r dinatentra n s pezifische n a nderen hat m ation Stud werden k a e rden kann. R eduzierun g r den. Sie m ü o ermöglic h e sichere m m öglichst pr a n dustrieste u m en durch g s punkt bild e u m die Ko l ( siehe Bild w ischen de m Positioni e u berechne n , indem de r r Sollpositi o t und dem m e lineare B e a ss bei   Hi ndernisse n l gt in MA T n sformation e n Konkreti s Simulink d i o Target ® d a nn und so Dadurch e n g von Fehl e m üssen eine h en wie ei n m anuelle Be a gmatische r u erung zu g g eführt, so n e t dabei die l lisionserk e 7). Für da s e m mit eine m e rsyste m , d e n . Für jede n r Abstand  o n des Wer k m öglichen K e wegung z w   kein e n du r ch geo m T LAB Sim u e n im Rah m s ierung res u d en Vortei l direkt auf e für eine In b n tsteht ein e e rquellen f ü Rü t manuelle B n en vollaut o d ienung ei n r Ansatz a n g ewährleist e n dern auf b e Annährun g e nnung auf s im Bild a n m Zylinder e ssen linea r n dieser Pu n   zwisch e k zeugs mit K ollisions p w ischen de m e Kollision v m etrische G u lin k ® , um z m en einer C u ltierenden l , dass dort e iner Indust r b etriebnah m e Durchgän g ü hrt (siehe B t ing, Henke, W B edienung d o matisierte n n Antikolli s gestrebt, u m e n. Zudem e reits beste h g der Hind e einfache g e n gegebene B und einem r e Kompo n n kte ist dan n e n dem Urs p dem Absta n u nkt vergli c m Ursprun g v orliegt. G rundkörp e z um einen d C o-Simulat i Mehrkörpe erstellter C r iesteuerun g m e des real e g igkeit in d e B ild 8). W arkentin, Tr d es System s n Bewegu n s ionsalgori t m einen ec h wird keine h ende Ver f e rnisse dur c eometrisch e B eispiel si n m Quader a n n ente als ei n eine Plau s s prungspun k n d  zwi chen wird ( g und der S o er zur Kolli s die Algori t i on mit de m e rmodell zu C ode mitte l g des Hers t e n Vorseri e d er Werkze u ä chtle r s mitn gsabt hmus h tzeit- Neu- f ahren c h ge- e Ben d die genänfach s ibilik t des s chen ( siehe o llpos ionshmen m aus ve r il s der t ellers e nsys- u gket- Entw u Bild In B i Soll t tion e che n die a Traj e wird Hin d Die S und men erfol Bild 4 Ziel erste eine ist. D ihre r der V u rf eines Trip o 8: Vorge h i ld 9 ist da s t rajektorie v e n der Antr i n den Recur D a ktiven Ko e ktorie des d er Antik o d ernis verw e S imulation das Positio auf die b e l greich dur c 9: Überp r Resü m des Beitra g e n Vorserie n strukturier t D ieses erm ö r Einsetzba r V erifizieru n od - b asierten I h en bei der m s Ergebnis e v orgegeben , i ebe berec h D yn-Client ppeleleme n TCP, wob o llisionsalg e ndet und i zeigt, dass niersystem e im Vorser i c hgeführte C r üfung des A m ee und g s war es di e n system da r t e Vorgeh e ö glicht zu m r keit unter B n g einer Ei g I nspektionssy s m odellbasi e e iner Co-Si , aus der m i h net werde n an die Me h n te des M o ei keine A b o rithmus s i i n die gepl a der Algori t rechtzeitig i ensystem e C o-Simulat i A ntikollisio n Ausblic k e Entwickl u r zustellen. D e nsweise u n m einen di e B erücksich t g enentwic k s tems e rten Eigen i mulation d a ittels der e r n . Diese Gr ö h rkörpersi m o dells ein. b weichung i mulativ g e a nte Beweg u thmus wie stoppt. D u e ingesetzte i on die Inb e n salgorith m k u ng eines I n D abei sollte n ter Einsat z e Analyse b tigung des k lung sowo h entwicklun g a rgestellt. D r mittelten T ö ßen werd e m ulation üb e Es resultie r zur Solltr a e testet, wo b u ngsbahn d gefordert d u rch den di r Steuerung e triebnahm e m us n spektionss y vor allem g z von Meh r b ereits best e Arbeitsrau m h l von Sei t g D abei wird i T ransformat i e n dann üb e e rgeben un d r t die im B a jektorie a u ei das ber e d es TCP hi n d ie Kollisio n r ekten Exp o kann im A e beginnen. y stems von g ezeigt wer r körpersim u e hender S y m es. Zum a t en der Ki n Se i in Simulin k ion die Sol l e r einen en t d wirken d o B ild darge s u ftritt. Zus ä e its beschri e n eingesetzt n sstellen e r o rt der Al g A nschluss a der Idee bi s r den, wie w i u lationsmo d y steme bez ü a nderen di e n ematik als i te 123 k eine l posit sp r ert auf s tellte tzlich e bene wird. k ennt orith- a n die s zum i chtig d ellen ü glich e nt es auch Seite 124 Rüting, Henke, Warkentin, Trächtler bezüglich des dynamischen Verhaltens. Dies führt dazu, dass nur noch ein Vorseriensystem tatsächlich aufgebaut werden muss. Zudem können die benötigten Steuerungs- und Antikollisionsalgorithmen bereits am Mehrkörpermodell mittels Co-Simulation verifiziert werden, wodurch die Inbetriebnahme des realen Systems schneller durchzuführen ist und die Gefahr von Schäden aufgrund fehlerhafter Software stark sinkt. Das entwickelte Positioniersystem basiert auf dem Prinzip hybrider Kinematiken. Ein Tripod wurde dabei um eine zusätzliche lineare Achse ergänzt, um den geforderten Arbeitsbereich abzudecken. Bei der Konstruktion wurden ausschließlich Kaufteile mit Explosionsschutzzulassung (Antriebe) und selbst gefertigte Komponenten verwendet. Anhand des aus den CAD-Daten der Konstruktion erstellten Mehrkörpermodells wurden echtzeitfähige Steuerung- und Antikollisionsalgorithmen simulativ verifiziert. Abschließend wurden diese dann direkt aus Simulink auf eine Steuerung des Herstellers B&R adaptiert und das reale Vorseriensystem mit manueller Bedienung in Betrieb genommen. In den folgenden Arbeitsschritten gilt es nun, den automatisierten Betrieb zu integrieren und am Prototyp zu optimieren. Literatur [ABB03] ABB AUTOMATION GMBH: Datenblatt IRB 940 Tricept – Spezialroboter, Mai 2003 [DR14-ol] DENSO ROBOTICS: New VS-087 – Specifications unter: http://www.densorobot.co.uk/products/vs087.html, 29.11.2014 [FE14-ol] FESTO AG & CO. KG: Tripod EXPT Produktbeschreibung unter: http://www.festo.com/cms/de_de/13886.htm, 13.11.2014 [FRI13-ol] FANUC ROBOTICS INDUSTRIEROBOTER: M-2iA Produktbroschüre, unter: http://www.fanucrobotics.de /~/media/FRDE/Files/M-2iA%20Brosch%C3%BCre.ashx, 2013, 29. November 2014 [GSA+11] GAUSEMEIER, J., SCHÄFER, W., ANACKER, H., BAUER, F., DZIWOK, S.: Einsatz semantischer Technologien im Entwurf mechatronischer Systeme, HNI-Verlagsschriftenreihe, Band 294, Paderborn, 2011 [IAP14-ol] INOTEC AP GMBH: ParaPicker® Roboter Produktbeschreibung unter: http://www.ja2- gmbh.de/parapicker.html, 13.11.2014 [MSM12] MILUTINOVIC, M., SLAVKOVIC, N., MILUTINOVIC, D.: Kinematic Modeling of Tricept Based 5-Axis Machine Tools. Journal of Production Engineering, Band 2, Novi Sad, Serbien, 2012 [OCR14-ol] OCROBOTICS: Explorer Range unter: http://www.ocrobotics.com/downloads/explorer_catalogue.pdf, 29.11.2014 [PK14-ol] PKMTRICEPT SL: Tricept T805 Produktbeschreibung unter: http://www.loxin2002.com/general-description, 13.11.2014 [RS10] RILL, G., SCHAEFFER, T.: Grundlagen und Methodik der Mehrkörpersimulation, Vieweg+Teubner Verlag, Auflage 1,Wiesbaden, 2010 [SAS14-ol] SAS DIRECTINDUSTRY: Deltaförmig-Roboter / 4-Achsen / für Montage / Verpackung 3 kg, 1 130 mm | M-2iA/3SL unter: http://www.directindustry.de/prod/fanucrobotics/deltaformig-roboter-4-achsen-montage-verpackung-14532-1224559.html, 13.11.2014 Entwurf eines Tripod-basierten Inspektionssystems Seite 125 [TOS11] TICHY, M., OESTERSÖTEBIER,F., SCHIERBAUM, T.: Entwurfstechnik intelligente Mechatronik, Internationales Forum Mechatronik 7, 2011 [UR14-ol] UNIVERSAL ROBOTS A/S: Technische Spezifikationen UR10 Artikel Nr. 110110 unter: http://media1.limitless.dk/UR_Tech_Spec/UR10_DE.pdf, 29. November 2014 [VDI2206] VDI-Richtlinie 2206: Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme, VDI-Verlag, Düsseldorf, 2004 [WEC02] WECK, M., STAIMER, D.: Parallel Kinematik Machine Tools – Current State and Future Potential, CIRP Annals – Manufactering Technology 51, 2002 Danksagung Für die finanzielle Unterstützung des ZIM-Projekts KF3204701WZ3 sei dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gedankt. Autoren M. Sc. Arne Rüting hat sein duales Bachelorstudium Elektrotechnik 2011 an der privaten Fachhochschule für Wirtschaft und Technik (FHWT) in Oldenburg abgeschlossen. Parallel absolvierte er seine Ausbildung zum Elektroniker für Betriebstechnik bei der IMA Klessmann GmbH in Lübbecke. Im Anschluss studierte er bis 2013 im Masterstudiengang Elektrotechnik mit der Spezialisierung Automatisierungstechnik an der Universität Paderborn. Seit 2014 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter der Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik des Fraunhofer IPT in Paderborn. Sein Arbeitsgebiet liegt im Bereich der Regelungstechnik. Dr.-Ing. Christian Henke studierte Elektrotechnik mit dem Schwerpunkt Automatisierungstechnik an der Universität Paderborn. Von 2004 bis 2009 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik der Universität Paderborn. Dort promovierte er über das Thema »Betriebs- und Regelstrategien für den autonomen Fahrbetrieb von Schienenfahrzeugen mit Linearantrieb«. Von 2009 bis 2011 war er zudem wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Regelungstechnik und Mechatronik der Universität Paderborn. Dort koordinierte er unter anderem Auftragsforschungs- und Verbundprojekte mit Unternehmen, die anspruchsvolle mechatronische Produkte entwickeln. Seine Arbeitsschwerpunkte liegen im Bereich der modellbasierten Entwicklung mechatronischer Systeme, des Regelungsentwurfs und der industriellen Automatisierungstechnik. Seit April 2011 leitet er die Abteilung »Regelungstechnik« der Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik des Fraunhofer IPT. Dr.-Ing. Andreas Warkentin studierte an der Altaischen Staatlichen Technischen Universität Barnaul und promovierte 1985 am Lehrstuhl „Theorie der Mechanismen und Maschinen“ der Staatlichen Polytechnischen Universität Sankt Petersburg. Von 1986 bis 1997 war er Dozent am Lehrstuhl „Theorie der Mechanismen und Maschinen“ der Altaischen Staatlichen Technischen Universität. Im Anschluss arbeitete er bis 2001 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Mechatronik Laboratorium Paderborn (MLaP) der Seite 126 Rüting, Henke, Warkentin, Trächtler Universität Paderborn. In den Jahren 2001 bis 2010 folgte eine Tätigkeit als Projekt- und Entwicklungsingenieur bei der iXtronics GmbH, einer Ausgründung der Universität Paderborn. Seit Juni 2011 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter der Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik des Fraunhofer IPT in Paderborn. Seine Arbeitsschwerpunkte sind Mehrkörpersystemmodellierung und Modellbildung komplexer mechatronischer Systeme. Prof. Dr.-Ing. habil. Ansgar Trächtler, geb. 1964, hat an der Universität Karlsruhe (TH) Elektrotechnik studiert und 1991 am Institut für Regelungs- und Steuerungssysteme bei Prof. Föllinger promoviert. Von 1992 bis 1998 war er als wissenschaftlicher Assistent am Institut für Meß- und Regelungstechnik (Prof. Mesch) der Universität Karlsruhe tätig, habilitierte sich 2000 und erhielt die Venia Legendi für das Fach „Meß- und Regelungstechnik“. Für seine wissenschaftlichen Arbeiten erhielt er 1998 den Eugen-Hartmann-Preis der GMA und den Messtechnik-Preis des AHMT (Arbeitskreis der Hochschullehrer für Messtechnik e.V). Von 1998 bis 2004 war er bei der Robert Bosch GmbH tätig und leitete zuletzt den Bereich Vorausentwicklung Fahrwerksysteme. Seit November 2004 ist er Professor und Leiter des Lehrstuhls für Regelungstechnik und Mechatronik der Universität Paderborn. Außerhalb der Universität engagiert sich Prof. Trächtler in der VDI/VDE-Gesellschaft für Meß- und Automatisierungstechnik (GMA) und in der International Federation of Automatic Control (IFAC). Mechatronisches Roboter-System zum Rückbau von Reaktordruckbehältereinbauten Simon Berger, Dominik Simon, Peter Stich, Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik, IWU Beim Glaspalast 5, 86153 Augsburg Tel. +49 (0) 821 / 56 88 396, Fax. +49 (0) 821 / 56 88 350 E-Mail: [email protected] Zusammenfassung In den kommenden Jahren wird eine Vielzahl von kerntechnischen Anlagen zum Rückbau anstehen. Besonders herausfordernd ist dabei die Zerlegung des Reaktordruckbehälters mit dessen radioaktiv aktivierten Einbauten. Diese werden bisher manuell unter Wasser gehandhabt und zerlegt, was kosten- und zeitintensiv ist. Daher wird der Einsatz von Robotern zur Automatisierung dieser Tätigkeiten erforscht. Zentrale Herausforderungen sind dabei der Aufbau und die Qualifizierung des Robotersystems zur Arbeit unter Wasser, die Integration eines Kamerasystems mit Bilderkennung und das Entwickeln einer Ansteuerung mit einem haptischen Bediengerät. Schlüsselworte Unterwasser Robotik, Bildverarbeitungssysteme, Teleoperation, Haptisches Kraftrückkopplungssystem Seite 128 Berger, Simon, Stich, Reinhart Mechatronic Roboter-Systems for Dismantling of Reactor Pressure Vesseln Internals Abstract Germany faces the dismantling of many nuclear power plants in the near future. One of the major challenges is the disassembly of the nuclear pressure vessel and its internals. For the time being, this step is done manually, using different cranes and grippers. Since this method is very time and money consuming new measures have to be taken into account. Thus, an underwater robot cell is planned in order to automate the manipulation of the internals. For this, the first step is to get the robot ready for the under-water application. Furthermore a machine vision system and a force feedback master arm has to be developed. Keywords Underwater robotics, Camera Vision System, Teleoperation, Haptic Force Feedback System Seite men g war e Mit B gesc h rung syst e der z Tem p und kan n ßen d nen u verh a teilu n kon fi 3 Zur wen d (He a Hell a Lüft e vers c vert e die T stell e terhi n über zeug wed e gerä t sowi über te re a Der k Akt u cha n auf d MP C für d 148 g efasst, da s e beinhaltet. B estimmun g h affen. Be i swerkzeug e e mspezifisc h zuvor erm i p lates lässt Flasher au f n . Über das d die Ausfü h u nd nachve a ltens, als a n gsstrategi e fi guration g e Demo n Überprüfu n d et, um ein e a ting, Vent i a Thermoc o e r und ein e c hiedene B e e ilung, der G T emperatur e e n, die bei B n verfügt d ein Tablet g finden, g e e r d irekt, ü b t erfolgen. D e die Anst e verschiede n a lisiert wer d k onzeptuel l u atoren sin d n ik (Lüfter u d ie Heiz- u n C 5668G So C d ie Regelun g s s sämtlich e g der Verte i der Code e für den V h en Code k i ttelten Al l sich der fi n f die Hard w in der We r h rung der S rfolgen. Di e a uch zur S o e n beim M a e wählt wer d n stratio n n g der Proj e Werkzeu g i lation, an d o ntrol (BH T e r Reihe v o e dieneleme n G ebläsestä r e n für die F B edarf dur c d as System oder über e steuert we r b er das ver w D urch die V e uerungsau f n e Aspekte d en müsse n l e Aufbau e d in Bild 2 u nd Klapp e n d Kühlele C verwend e g des Lufts t e ermittelte n i lung wird d -Generieru n V erhaltensc o k ombiniert. l okationen. n ale Code f w areplattfo r r kzeugkette S oftware au e se können o ftwareopti m a pping ode r d en. n saufba u ektergebni s g kette für d i d Air Con d T C) protot y o n Klappen n te zur An s r ke und des F ahre r - un d c h das HV A über vers c Bedienele m r den kann. Z w endete St e V ereinigun g f gaben und die währe n n . e iner Varia n aufgeführt. e n) zur Ste u mente. Als e t. Es verf ü t roms als a u n Allokatio n d ie Grundl a n g werden o de mit ein e Letzterer Durch Ei n f ür die Ziel p r m übertra g i n tegrierte u f der der H gleicherm a m ierung ge n r leistungss u s se wurde d i e Entwickl u d itioning) [ y pisch um z n zur Steue r s teuerung d e s Frischluft e d Beifahre r - A C Steuerg e c hiedene V a m ente, wie s Zudem ka n e uergerät, o g von Reg e verschiede n n d der Ums n te des HV A . Das HV A u erung des Steuerger ä ü gt über z w u ch für die Krawcz y n en seitens a ge für den die Code- e m integrie r erlaubt bei n bindung p p lattform e r g en und a u Tracing W H ardware in a ßen für di e n utzt werd e tärkere Pla t d ie AMAL T u ng eines i n Ama14-ol] z usetzen. D r ung des L u e s Systems , e inlaßes. D a Zonen una b e rät autom a a rianten, s o s ie sich sta n n n die Ans t o der über e i e lungs- und n e Variant e e tzung mit A C Syste m A C (u.l.) ve r Luftmasse s ä t wird ein w ei heterog e Ansteueru n k , Höttger, W der Softw a sechsten u n Generatore n r ten Gener a s pielsweise p lattformsp e r zeugen, d e f dieser a u W erkzeug lä s Form von T e Verifikati o e n, in dem z t tformen b e T HEA To o n dustriellen des Proje k D as HVAC u ftstroms u , z.B. Regl e a rüber hina u b hängig vo n t isch gereg e o dass das S n dardmäßi g euerung d e i n weiteres Kontrollfl u e n verfügt d der erstellt e s sowie sei n r fügt über d s troms und Freescale B ne Kerne u n g der Klap p W olff, Brink, F a re auf die H n d siebten S n der Mo d a tor für bet r e die Umse e zifischer C e r über Co m u sgeführt w s st sich ans c Traces auf z o n des Soft w z .B. ander e e i der Vari a o l Plattfor m n HVAC Sy s k tpartners B beinhaltet u nd verfüg t e r zur Lufts a us ermögli c n einander e e lt werden. S ystem ent w g in einem e r Mechani k externes S t u ssberechn u d as System e n Werkze u ne Sensore n d ie gesamt e verzichtet B oard mit e u nd dient s o p enmotore n F ruhne r H a r d- S chritt d ellier iebst zung C odem piler erden c hliez eichw a r e- e Ver- a ntenm vers tems B eh r - einen t über t romc ht es e inzu- Wei- w eder Fahrk entt euer- u ngen somit u gketn und e Medabei e inem o wohl n . Die AM A Ben u W-L Bild 4 Die E kett e b ei w Drit t Spe z schr e war e char t Im F dabe 4 Vg l 5 Vgl . 6 Vgl . A LTHEA u tzereingab e an Gatewa y 2: Konze p Entwi c E ntwicklu n e durchgefü h w urden so w t anbietern e z ifikation v o e ibung von e architektur t s 5 sowie M F olgenden w i ein Fokus l . http://eclips . http://statec h . http://de.ma t e n finden i n y über eine p tioneller A c klung m n g der Soft w h rt, die mit w ohl in die e ingesetzt, o n Anford e textuellen wurde Ya k M atlab Simu l w erden die M auf die W e e.org/rmf/pro r h arts.org/ t hworks.com/ p n dieser Va r SPI Schnit t u fbau eine r m it einer w are für da Hilfe der A Plattform d ie über d e e rungen w u Anforderu n k indu Co M l in k 6 einge s M odellieru n e rkzeuge de r / p roducts/sim u r iante über e t stelle an d a r Variante d AMALT H a s HVAC S A MALTH E integrierte e finierte S c u rde das W e n gen ermö g M o und für s etzt. n gsschritte e r AMALT H u link/ e in Tablett a s Freescale d es HVAC Sy H EA We r t euergerät w E A Tool Pl a Werkzeug e c hnittstelle n e rkzeug Pr o g licht. Für das Softw a des HVAC H EA Plattf o s tatt, das di Board wei t Sy stems (Qu r kzeugk e w urde mit e t tform erze u e wie auch n angebun d oR 4 einges e die Model l a reverhalte n Systems v o o rm gelegt w Se i i e Signale m t erreicht. u elle: BHT C e tte e iner Wer k ugt wurde. Werkzeug e d en wurde n e tzt, das di e l ierung der n Yakindu S orgestellt, w w ird. i te 149 m ittels C ) k zeug- Hier- e von n . Zur e Be- Soft- S tatew obei Seite 4.1 Auf B für d Har d niert Das Mer k u.a. d pitel not w wer d Bild Die (MP C hier a te so welc MP C die V Bild Um ebe n Dab e gens c 150 V arian t Basis der d d ie Softwar d wareplattf o , die auch d HVAC S y k malen ( Ma d ie Steueru n 3 beschrie w endigen S o d en, sowie V 3c). Hardware C 5668G s o a rchischen M wie deren E he Elemen t C 5668G wi r V erbindung 3: Teilbe r Anforderu n n falls in ei n e i werden s chaft berüc k t enmode d efinierten A e in Form o rmen in F o d ie Modelli e y stem best e a ndatory), d n g für die L benen Alte o ftwareko m V erbindun g des HV A o wie Frees c M odell spe z E igenschaft t e bzw. Ei g r d über ein e mit dem T a r eiche der V n gen der S o n er hierarc h owohl die n k sichtigt. F ü llierung A nforderun g eines sog. F o rm einer A e rung von H e ht auf de r d ie alle HV A L üftung. W e r nativen ( A m ponenten, d g en unterei n A C beste h c ale i.MX6 ) z ifiziert, da s e n legt. Va r g enschaft h i e Variante e a blet notwe n V ariantenm o o ftware an h isch aufg e n otwendig e ü r das HV A g en werde n Feature-M o A MALTHE A H ardwareva r r Software s A C-Varian t e iterhin ve r A lternative). d ie währe n n ander, di e h t aus v e ) sowie de r s einen Fo k r ianten der i nzukomm e e in weiterer ndig ist. o dellierung die Hard w e bauten Str u e Hardware e A C wurde a u Krawcz y n gemeinsa m o dells [KC J A -eigenen H r ianten [B K s eite aus v t en gemein s r fügt das H V Jedes Ele m n d der Syst e e über Port s e rschiedene n r en Variant e k us auf die e Plattforme n e n oder ent f Bus vom T des HVAC s w are zu be r u ktur zu j e e lementstr u u f diese W e k , Höttger, W m e und var i J +90] (Bild H ardwareb e K P+14] erla u v erschieden s am haben. D V AC über d m ent im M e mmodellie s spezifizie r n möglic h e n. Diese w e inzelnen H n (Variatio n f ernt werde T yp SPI hin z s ü cksichtig e e dem Merk m u ktur sowie e ise spezifi z W olff, Brink, F i able Syste m d 3a) und f ü e schreibun g u bt (Bild 3 b n en notwe n Diese bein h d ie beiden i n M o d ell enth ä e rung spezi f r t werden ( h en Plattf o w erden in e H ardwareel e n point) geb e e n müssen. zugefügt, d e n, werden k mal spezi fi die Hardw a z iert, dass fü F ruhne r m teile ü r die g defib ). digen h alten n K aä lt die f iziert ( siehe o rmen e inem e men- e n an, Beim d er für diese fi ziert. a reeifü r die AM A Vari a (BU S es, w ten z prüf e 4.2 Zur M war e das K beit u gen u tech a mod e der S pon e zuge den i zuge 4.3 Im A Vari a war e dass Ans c Wer k Bild A LTHEA a nte Displ a S ) zur Anst w ährend der z u berücksi c e n. Syste m M odellieru n e komponen t K omponen t u ng der Be n u nd die Ak t a rts spezifi z e ll in Matl a S pezifikati o e nten wurd e ordnet, um i n Form m e ordnet wur d V arian t A nschluss a n a nten ein s e varianten a gegenseiti g c hließend w k zeug die A 4: Schritt e a y eine H a euerung ve r Konfigura t c htigen un d m modelli e n g des Sys t t en mithilf e t enverhalte n n utzereing a t ualisierun g z iert. Die a u a b Simulin k o n auf die j e n im Ans c diese für d e hrerer Har d d en. t enkonfi g n die Syst e pezifisches a usgewählt, g e Aussch l w ird ebenfal l A nforderun g e der Hard w a rdwareplat t r fügt (sieh e t ion eines H d die Komp a e rung ems sowie e von Yaki n n erweitert. a ben wie T e g des Betri e u tomatisch e k realisiert. Z eweiligen K hluss den j d ie Konfig u d waremode l g uration mmodellie r HVAC S y wobei das l üsse sowi e l s die gew ü g en der Sof t w are/Softw a t form ben ö e Bild 3d). D H VACs die a tibilität au aller Varia n n du CoMo Hierzu w u e mperature i e bszustande e Regelung Zudem wu r K omponen t eweiligen V u ration zu n l le spezifiz i r ung wird d y stem erze u Werkzeug e notwendi g ü nschte Har d t ware an di e a re-Varian t ö tigt wird, D iese Mod e Abhängig k f Basis der n ten wurde n spezifizier t u rde der K o i nstellunge n s und der S des Luftst r r den die Ei n t enports ab g V arianten i m n utzen. Die i ert, die ebe d urch die K u gt. Hierzu den Benut z g e Abhäng i d wareplatt fo e Hardware t enkonfigur a die über e e llierungste c e iten der g e definierten n für das H t . Diese w u o ntrollfluss , n oder Luf t S ensoren, ü b r oms wurd e n - und Aus g g ebildet. D i m Softwar e Hardware p n falls dem V K onfiguratio werden z u z er dahinge h i gkeiten a n fo rm gewäh l prüft. a tion Se i e ine Schnit t c hnik ermö g e wählten V a n Anforderu H VAC neun u rden zude m , also die V ft stromeinst e b er Yakind u e als Date n g abeknote n i e Softwar e e varianten m p lattformen V arianten m o n (Auswa h u nächst die h end unter s n gezeigt w e l t, woraufh i i te 151 t stelle g licht a ri a nn g zu Softm um V erar- e llun- u Stafluss- n nach e komm odell wurm odell l) der Softs tützt, e rden. i n das Seite Soll t lerm e zeug nent e halt e die g 4.4 Sob a den, R un n Pro fi renz e und Z ches präs e Ver fü Das Pfad e les a hier b gan g nun g sche Gra p Met h sehr limi t 152 t e die gew ä eldung an g g t. Hierzu w e nmodells m e n zudem d a g ewählte Pl a Partiti o a ld die Soft die inner h n ables aller fi lin g b esti m e n gruppie r Z yklen inn e Contraint s e ntiert. An s fü gung die u entwickelt e e der Grap h a nhand der b ei nach [K A g sknoten zu g s- und Ko m Pfad eines p hen bzw. i h odik ermö g viele Parti t t iert. ä hlt Plattfo r g ezeigt (sie h w erden alle m it allen K a s zuvor sp e a ttform erz e o nierung warekomp o h alb des S o dings auf T m mt werde n r t, ihre Ab h e rhalb der A s -Modell, w s chließend u nterschied l e LGP (Lo c h en, bildet d Abhängigk A 96] eine M einem Aus m munikati o Graphen d i i n Bezug a u g licht also e t ionen entst r m diesen A h e Bild 4a) notwendig e K omponent e e zifizierte V e ugt. o nenten ge n o ftwaremo d T asks vertei l n . Anschlie ß ängigkeite n A bhängigk e w elches die stehen zw e l iche Meth o c al Graph P d araus die e eiten weite r M enge an K gangsknot e o nskosten m i e untere G r u f die Bere e ine minim a e hen da da s A nforderun g . Anderen fa e n Softwar e e nverbindu n V erhalten. W n eriert wur d d ells atoma r lt werden k ß end werde n n durch ge m e itsgraphen Task-Abhä e i untersc h o den zur V e P artitionin g e rsten Parti ren Partiti o K noten und e n konstitui e m aximal ist r enze in Be z chnung all e a le Gesamt l s LGP Ver f Krawcz y g en nicht e fa lls wird d a e kompone n n gen gener i W eiterhin w d en, könne n r e Prozess e k önnen, mü s n sie bezü g m einsame S aufgelöst. n gigkeiten iedliche P a e rteilung bi e g ) Verfahre n tionen und o nen zu. Ei n Kanten di e e ren, bei d e . Nach [C S z ug auf die e r Knoten i l aufzeit des f ahren die A k , Höttger, W e ntsprechen , a s konfigu r n ten in For m ert. Die K o w ird das Ha r n R unnable s e repräsent i s sen ihre L a g lich ihrer A peicherzug r Dabei ents t b einhaltet u a rtitionieru n e ten. n identifizi e teilt die re s n kritischer e einen Pfa d e m die Sum m S R+01] bes c Gesamtau s i nnerhalb d e Systems, a l A nzahl der P W olff, Brink, F , wird eine r ierte Syste m m eines K o o mponente n r dwaremod e s abgeleite t i eren. Bev o aufzeiten m A ktivierung riffe identi f t eht ein zu s u nd Graph e n gsverfahre n e rt die kriti s tlichen R u n r Pfad besc h d von eine m m me aller B e c hreibt der s führungsz e d es Graphe n a llerdings k ö Partitionen F ruhne r Fehm er- o mpon e n t- e ll für t wer- o r die m ittels s refef iziert s ätzli- e n r en zur s chen n nabh reibt m Ein- e rechkriti- e it des n . Die ö nnen nicht AM A Bild Um d Sche Star t te U m Im R nier u die L mäß i Die A inde m wer d 4.5 Die e den b zess. strat e peri o Lau f giev e dem schr i der T 7 Inte g A LTHEA 5: HVAC d ie Anzahl e dulin g ) Ve r t -Zeitpunkt e m setzunge n R ahmen de s u ngsverfahr L GP Partiti o i gere Laste n A ktivierun g m nur R un n d en. Mappi n e rzeugten P b eiden Ker n Zur Besti m e gien ausg e o disch, d.h. f zeitminimi e e rbrauch d e z.B. die S t i ebene Ver f T askaufruf e g er Linear Pr o Partitionie r der Partiti o r fahren ein e einer vor d n der Verfa h s HVAC B e en geben. H o nierung m i n verteilun g g sgruppier u n ables glei c n g P artitionen ( n en des Ha r m mung der e wählt wer d beispielsw e e rung der P e s Systems t rategie I L P f ahren imp l e bei und b e o graming (z. d r ung LGP u o nen zu li m e Alternati v d efinierten A h ren könne n e ispiels sol l H ierbei wir d i t 5 Partiti o durch das ng wird an h c her Aktivi e Tasks) aus r dware Mo d Verteilun g d en. Da bei e ise alle 10 0 P erioden in e unter Gew ä P 7 based E n l ementiert, e stimmt ei n d t. Ganzzahli g u nd ESS Ve r m itieren, bie t v e, bei der A nzahl an P n unter [HI K l Bild 5 ei n d die mini m o nen (siehe ESS Ver fa h and der fa erungen u n dem Partiti d ells [KK1 3 g muss alle r dem HVA C 0 ms aufger u e ffektiv. Si n ä hrleistung E nergy Min i genutzt wi r n e valide V e g e Lineare Pr o r fahren t et das ent w die R unna b P artitionen z K 13] und [ H n en groben Ü m ale Laufze i Bild 5 unt e a hren mit 3 r blich hint e n d somit gl e onierungss c 3 ] die Grun d r dings vora b C sowohl K u fen werde n n nvoller w ä der 100ms i mization, w r d. Das Ve r e rteilung m i o grammierun g w ickelte ES b les anhan d z ugeordnet w H I15] nach g Ü berblick ü i t des HVA C e n) erreicht 3 Partition e e rlegten R u n e icher Farb m c hritt bilde n d lage für d e b eine der d K ontrollals n , sind Stra t ä re es statt d Periode z u w elche das r fahren be h i t dem geri n g ) Se i S S (Earliest d ihrer frü h w erden. K o g elesen wer d ü ber die Pa r C Modells d und eine g l e n (oben r e n nables de u m uster gru p n gemeinsa m e n Mappin g d rei Verteil auch Date n t egien zur r d essen den u minimier e in [ZHC0 2 h ält die Pe r n gsten Ges i te 153 Start h esten o nk r ed en. r titiod urch l eichchts). u tlich, p piert m mit g P r o- u ngsn fluss r einen Ener- e n, in- 2 ] beioden a mte- Seite nerg i dies aufe i spar e Dea d Um d ein s Lös u schli LP- R Da d Rela x den e Als D wen d höc h die A unte r Map p für j e cher t 4.6 Die C jewe wer d wer d Ans t nent e halt e wie d fisc h soll. Um D Date nent e der K 154 i everbrauc h zu erziele n i nanderfolg e ndere Mo d d lines aber a d as Proble m og. GAP v o u ng des Gl e i eßend bere R elaxation, d ie Ganzz a x ation sei n e ingestellte n D atensatz fü d et, da dies e h ste Potenti a A ufgaben u r Einhaltun p ings, d.h. d e de Alloka t t . Code G C ode-Gene r ils zur Co d d en. Bei d e d en die Sof t t euerung fü r e nmodells e e n vom Sys t d ie Schnitt s h e Code ist D aten aus d n in das S y e die zuge h K omponent e h der aus d e n , nutzt da s enden Tas k d i geschalt e a ufgrund d e m des Opti m o n 10% ein g e ichungssys t chnet das T und akzept i a hlige Lös u n kann, wir d n Prozents a fü r die Vert e e s durch di e a l zur Ener g u nter Verw e g der Abh ä d ie Verteil u t ion, werd e G enerier u r ierung erf o d e-Erzeugu n e r Kompon e t warekomp o r einen Lüf t e rzeugt der t em. Ferne r s tellen (API dadurch u n d em Syste m y stem zu s c h örigen Sc h e wird in ei n e m lastabh ä s Verfahre n k s aus. Dab e t, wodurc h e r Ausnutz u m alitätsnac h g estellt. Di e t ems ohne d T ool zu je d i ert die ers t u ng eines d so gewä h a tz von eine r e ilung wir d e kleinstm ö g ieeinsparu n e ndung ein e ä ngigkeiten u ng von Ta s e n für die w u ng und T o lgt im Fall e n g für die K e nten Gen e o nenten (S W t er oder Dr u Systemge n r werden in s) für den Z n abhängig v m (d.h. der z c hreiben, w e h nittstellen f n er, vom G ä ngigen V e n die sog. S ei werden d h sich zwar u ng von Sla c h weises zu e ser bewirk t d ie geford e d er Ganzza h t e Lösung, d GLP Pro b h rleistet, d a r bestmögl i d das durch ö gliche Lau f n g, besitzt. e r Heuristi k und Dead l s ks zu Ker n w eitere Ver T racing e des HVA C K omponent e rierung ü b W Cs) erste l u cksensor i m n erator die Q diesem Sc h Z ugriff auf d v om Betrie b z ugrundeli e erden für j e f unktionen enerator er z Krawcz y e rbrauch de r S lacks (Le e d ie Kerne i die Laufz e c ks beibeh a umgehen, w t , dass erst d e rte Ganzza h h ligen Lös u d ie maxim a b lems nie m a ss die erm i chen Lösu n LGP partit i f zeit die gr ö Durch das M k auf die K e l ines „verl a n en und die arbeitung i m C -Beispiel s e n bzw. da b er Simulin k l lt. Eine S W m plementi e Q uell- und h ritt die D a d iese erstel l b ssystem au e genden D a e den Port d definiert. D z eugten, F u k , Höttger, W r Kerne er m e rlaufzeiten ) i n langsam e e it der Tas k a lten werde n w ird als A b d ie LP-Rel a h ligkeit, er m u ng die Ab w a l 10% von m als besse r i ttelte Lös u n g abweich t i onierte H V ö ßten Slac k M apping- V e rne verteil t n gsamt“. D ermittelten m M appin g über zwei s Betriebss y k und Ya k W C kann b e e ren. Auf B a Headerdat e a tenstruktur l t. Der erste l f dem er a u a tenstruktur ) d er entspre c D ie jeweili g n ktion imp l W olff, Brink, F m ittelt wir d ) zwischen e re, dafür s k s verlänge r n . b bruchbedi n a xation, d. h m ittelt wir d w eichung z dieser ab w r als sein e u ng maxim a t . V AC Mode l k s, und da m V erfahren w t, und die K D as Ergebn i Spannung s g Model l g e Generatore y stem eing e k indu State c e ispielswei s asis des K o e ien für da s des Syste m llte system s u sgeführt w ) abzurufe n c henden K o g e Funktio n l ementiert. F ruhne r d . Um zwei t romr t, die n gung h . eine d . Anz u der w eicht. e LP- a l um l l verm it das erden K erne i s des s modi e spein , die e setzt c harts s e die o mpos Verm s sos pezierden n oder o mpon alität AM A Bei m stan z Lan g Betr i schr i teilu n nöti g sowi wer d wen d Ziel p ol]. 5 Die E plex e son d Ge w stell e dies e lich k indu s stell t als a u glei c in d i der A war e Gen e kun ft pekt e Asp e Lit e [Am a 8 Spe z 9 OS E A LTHEA m Generier e z en von Er i g uage) ge n i ebssyste m s i eben. Enth a n g der Tas k g t werden. D e weitere Q d en Treiber d ung in Bi n p lattform m Resü m E ntwicklu n e r Prozess, d ere die Int e w ährleistung e n dabei ei e r Problem s k eit den En t s triellen A n t en Werkze u ch den in A c hermaßen d i e Plattfor m A nwendun g e nicht d u e ratoren m a ft soll die P l e der aut o e kte, erweit e e ratur a 14-ol] A M A Con c AM A z ifikation für E K zertifizier t e n des OS E i ka Enterpr i n eriert. D s und ist in a lten sind D k ode r wel c D ie aus der Q uelldateie und Libra r n ärform fü r m it gängige n m ee und n g moderne der eine V i e gration d e des korre k ne wesentl i s tellung un d t wicklungs p n wendungs f ugkette er fo A MALTH E d ie Teilaut o m integriert e g sfall, dass u rchgängig a nuell an d i l attform im o mobilen S e rt werden. A LTHEA C ONS O c epts. Unter: h A LTHEA-W P Echtzeitbetri e t es Open-Sou r EK 8 Betrieb i se 9 ) wird a D iese b ein h formaler M D efinitione n c he Priorit ä OIL-Datei n , werden r ies durch d r die gew ä n Software T Ausblic k r automobi i elzahl von e r Werkzeu g k ten Daten a i che Herau d präsentier t p rozess zu u f alls anhan d fo lgreich d u E A integrie r o matisierun g e n Werkze u insbesond e automatisi e i e jeweilig e Rahmen d e S oftwareent w O RTIUM : Deli v h ttps://itea3.o r P -3-D34-Prot o e bssysteme a u r ce Echtzeitb e ssystems ( i a ls Basis e i h altet die M etasprach e n und Dekl a ä ten, Resso u generierte n zusammen g d en Linker h ä hlte Zielpl a T racing To o k i ler eingeb e Arbeitssch r g e für ein e a ustausches u sforderung t e mit der A u nterstütze n d einer mi t u rchgeführt , r ten Werkz e g des Date n u ge überpr ü e re die Ak t e rt werde n e Zielplattf o e s AMAL T w icklung, v erable D 3.4 r g/project/wo r o typicalimple m u tomobiler ei n e triebssystem i m Falle d e i ne OIL-D a Konfigu r e nach Bac k a rationen, w u rcen sowi e n C-Dateien g eführt un d h inzugefüg t a ttform ers o ls nachver f e tteter Mul t r itten und W e n durchgä n zwischen d dar. Dies e A MALTHE A n . Hierfür w t der AMA L , die sich s o e ugen zusa m n austausche ü ft werden . t ivitäten mi t n konnten, o rm angepa T HEA4publ i wie Verifi - Prototypica l r kpackage/do c m entationofs e n gebetteter S y (http://erika.tu x e s HVAC S a tei (OSEK r ationsdate n k us-Naur-F o w ie Beispie e Betriebss y , die Datei e d kompilie r t und so di e t ellt, deren f olgt werd e icore-Syste W erkzeuge n n gigen Arb e d en beteili g r Beitrag b A Tool Pla t w urde die E n L THEA T o o wohl aus D m mensetzt. s, wie auch Anderers e t starkem B da beisp i s st werden i c Projekte s k ation, Te s l Implementa t c ument/down l lectedconcep t steme (http:// w x family.o r g/dr u Se i S ystems zw K Implemen t n des O o rm [Knu6 4 e lsweise di e y stemdiens t e n des OSE K r t. Anschli e e endgültig e n Ablauf a u e n kann [A m e me ist ein n umfasst. I e itsfluss u n g ten Werkz e b efasste sic h t tform eine n twicklung o ol Plattfor m Drittwerkz e Dadurch k h die Eignu n e its verdeu t B ezug zur H i elsweise C mussten. I n s um weite r sts und S a t ion of Select e l oad/1702/09 0 t s.pdf w ww.ose k -vdx. u pal/) i te 155 e i Int ation SE K - 4 ] be- e Vert e be- K -OS e ßend e An- u f der m a14- kom- I nsben d die e ugen h mit Mögeines m er- e ugen k onnte n g der lichte H a r d- C oden Zur e As- a fety- e d 0 13- org/) Seite 156 Krawczyk, Höttger, Wolff, Brink, Fruhner [BJ14] BRINK, C. UND JATZKOWSKI, J.: EU-Forschungsprojekt AMALTHEA: Entwicklung einer open-source Entwicklungsplattform, erweiterbar durch die Community. SafeTRANS News, (1): S. 12-13, 2014. [BKP+14] BRINK, C.; KAMSTIES, E.; PETERS, M. UND SACHWEH, S.: On Hardware Variability and the Relation to Software Variability, 40th Euromicro Conference on Software Engineering and Advanced Applications, Verona, Italy, 2014 [CSR+01] CORMEN, T. H.; STEIN, C.; RIVEST, R. L. UND LEISERSON, C. E.: Introduction to Algorithms, McGraw-Hill Higher Education, 2nd Edition, 2001 [HIK13] HOETTGER, R.; IGEL, B. UND KAMSTIES, E.: Vector Clock Tracing and Model-Based Partitioning for Distributed Embedded Systems, International Journal of Computing, 4th Edition, Volume 12, 2013 [HI15] HOETTGER, R.; KRAWCZYK, L. UND IGEL, B.: Model-Based Automotive Partitioning and Mapping for Embedded Multicore Systems, XIII International Conference on Parallel, Distributed Systems and Software Engineering, Volume 9 No. 1, 2015 [KA96] KWOK, Y. UND AHMAD, I.: Dynamic Critical-Path Scheduling: An Effective Technique for Allocating Task Graphs to Multiprocessors, IEEE Transactions on Parallel Distributed Systems, Piscataway, NJ, USA, May 1996 [KCJ+90] KANG, K. C.; COHEN, S.; HESS, J.; NOVAK, W. UND PETERSON, A.: Feature-Oriented Domain Analysis (FODA), Feasibility Study, Software Engineering Institute, Tech. Rep. CMU/SEI-90-TR-21, 1990. [KK13] KRAWCZYK, L. UND KAMSTIES, E.: Hardware models for automated partitioning and mapping in multi-core systems, 7th IEEE International Conference on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems (IDAACS), Band 2, Seiten 721-725, Berlin, 2013 [Knu64] KNUTH, D. E.: Backus Normal Form vs. Backus Naur Form, Communications of the ACM, vol. 7, Nr. 12, S. 735-737, 1964 [ZD14] ZHU, Q. UND DENG, P.: Design synthesis and optimization for automotive embedded systems. International symposium on physical design (ISPD '14). ACM, New York, NY, USA, 141-148, 2014 [ZHC02] ZHANG, Y.; HU, X.; CHEN, D.Z.: Task scheduling and voltage selection for energy minimization, 39th Design Automation Conference (DAC), New Orleans, LA, 2002 Autoren M.Sc. Lukas Krawczyk ist Promotionsstudent im Rahmen einer kooperativen Promotion an der Universität Bielefeld und der Fachhochschule Dortmund. Er hat sein Masterstudium in der Informatik mit Vertiefung in technischer Informatik im Juli 2014 abgeschlossen und widmet sich der Forschung im Bereich Scheduling mit Fokus auf eingebettete Multi- und Manycore Systeme für Echtzeitanwendungen. M.Eng. Robert Höttger hat sein Masterstudium in der Informations- und Elektrotechnik an der Fachhochschule Dortmund Anfang 2014 abgeschlossen und nahtlos sein Promotionsstudium am Informatik Lehrstuhl 12 der Technischen Universität Dortmund begonnen. Zu seinen wissenschaftlichen Tätigkeiten gehören die Erforschung adaptiver Systemverhalten mit Hilfe von Traces sowie Entwicklungen zu softwaretechnischen Parallelisierungsverfahren eingebetteter Echtzeitsysteme im Automobilbereich. AMALTHEA Seite 157 Dipl.-Inform. (FH) Christopher Brink Jahrgang 1984, ist Doktorand im Fachgebiet Softwaretechnik von Prof. Dr. Wilhelm Schäfer am Institut für Informatik der Universität Paderborn. Er hat im August 2008 sein Studium der Informatik als Dipl.-Inform. (FH) abgeschlossen, erlangte 2009 seine Promotionsberechtigung und forscht seitdem im Bereich der Hardware-/Software-Produktlinien. M.Sc. Daniel Fruhner hat sein Masterstudium in der Informatik an der Fachhochschule Dortmund Anfang 2013 abgeschlossen und arbeitet seit dem beim AMALTHEA Projektpartner BHTC. Prof. Dr. Carsten Wolff ist seit 2007 Professor für Technische Informatik an der Fachhochschule Dortmund. Er hat an der Universität Paderborn Elektrotechnik und Wirtschaftswissenschaften studiert und am Heinz Nixdorf Institut bei Prof. Hartmann und Prof. Rückert auf dem Gebiet der Digitalelektronik promoviert. In seiner siebenjährigen Industrietätigkeit war Dr. Wolff in der Halbleiterindustrie (Infineon AG) tätig und primär mit der Entwicklung von ASICs und Prozessoren sowie der entsprechenden Entwicklungsmethodik befasst. In diesem Kontext hat er sowohl als Projektleiter als auch als Abteilungsleiter gearbeitet und u.a. am Aufbau eines neuen Entwicklungszentrums mitgewirkt. Ferner ist Carsten Wolff Gesellschafter und Mitgründer der smart mechatronics GmbH, eines spin-offs des Heinz-Nixdorf-Instituts und der FH Dortmund mit dem Schwerpunkt Mechatronik Entwicklung. Gene r pe») als e i da d i B ild Sens sind UM L Inte r Tra n ton» sor A Uns e Ko m aber r ierung von A CentralLo i nmal insta n i ese Entsch e 3: B eispi e o r - und A k spezielle A L -Modell m r iorLightA c n sformation eine Insta n A ctuator Ty p e r Modelli e m ponenten u aus Platzg r A UTOSAR-M o cking und n ziiert wer d e idung nic h el - M odelle f k torsoftwar e A UTOSA R - m it dem St e c tuator in B für AS W - K n z für jede s p e» bzw. « S e rungsansa t u nd Service - r ünden in d i o dellen aus U InteriorLi g d en soll, m ü h t automatis f ür die Tra n e komponen t S oftwarek o e reotyp «s e B ild 3 gez e K omponen t s olche Ko m S ensor Act u t z und die - Kompone n i esem Beitr a U ML-Spezifik a g htManag e ü ssen diese ch getroffe n n sformation t en steuern o mponente n e nso r » b zw e igt. Die M t en einen T m ponente an u ator Proto t Transfor m n ten weiter e a g nicht be h a tionen e r erstellt. F Instanzen m n werden k a von UML i eine Sens o n . Diese Inf o . «actuator » odelltransf o yp und we g , allerdings t ype». m ation um f e Arten vo n h andelt we r F alls die K o m anuell sp e a nn. i n AUTOSA or - b zw. A k o rmation hi n » , wie an d o rmation le g g en des St e mit dem S t f assen mit n Softwarek o den. Se i o mponente e zifiziert w e A R k torhardwar i nterlegen w d er Komp o gt analog z e reotyps «s i t ereotypen « Basis-Soft w k omponente n i te 165 mehr e rden, e und w ir im o nente z u der i ngle- « Senw aren , die Seite 2.1. 2 Nac h stell e In B Inte r terfa c prei s dies e Der (sog . (sog . Ko m sen, Verr i ligh t Die P red) doo r in e n zwis c Inte r tere w Intr L und e 2.2 Nac h sowi auf AU T spez i Beis p able n rung dun g schr e 166 Ge n 2 h den Soft w e n nach A U ild 3 besit z r face IntrLi M ce besitzt s gibt. Der P e s Interface nicht-konj u . provided i . required i m ponente In um den V e i egelungsst t On der Ak t P orts trans f in entspre c r Sts von In n tsprechen d chen sog. S r faces gene r w erden aus L iActr_IF ). I e in ClientS e Generi h dem in de r e die Ports Run-Time- E T OSA R -Ko m i fiziert. Da s p iel von d e n (Interrun n dieser Inf o g von Verh a e ibung von n erierung v w arekompo n U TOSAR ü b z t die Ko m M ngr_IF t y das Attrib u P ort doorSt typisiert u u gierte Por t i nterface), w i nterface). teriorLigh t e rriegelung s atus än d ert t orkompon e f ormieren w c hende PPo teriorLigh t d e Interfac e S enderRece r iert, die le d UML-Inte r I n Bild 3 w e rve r -Inter f erung d e r ASW-Ebe n und Schnit t E nvironme n m ponenten s Internal- B e r RTE auf g n able-Varia b o rmationen a lten auf R T Runnables v on Ports n enten müs s b erführt we r m ponente C e p isiert ist ( v u t doorSta s der Kom p u nd konjugi e t doorSts b w ährend de Ü ber den K t Manager d s status der T , kann der e nte Interi o w ir gemäß d r ts (z. B. P o t Manager ) e s im Pak e i ve r - und C d iglich Att r r faces gen e w ird ein S e f ace durch K e r Run-Ti m n e die AU T t stellen der n t-Ebene ( R jeweils i n B ehavio r -El e g erufene F u b len) ode r e nutzen wir T E in Bild 2 und Interr u s und Sch n s en deren i n r den. e ntralLock visualisiert a tus:int , d a p onente In t ert (erkenn b b ietet das I n e r konjugie r K onnektor d as Attribu t T üren in E r InteriorLi g o rLightAct u d er Nutzun g ort von Ce in AUTO S e t Compo n C lientServe r r ibute besit z e riert, die U e nderRecei v K reise und H m e-Envir T OSA R -Ko AUTOSA R RTE-Eben e n einem s o ement b es c u nktionen ( R e xklusive B das in UM 2 ). Im Folg e u nnable-Va r n ittstellen n UML spe ing einen P durch die t a s den Ve r t eriorLight b ar an ~ b e n terface u n r te Port do o zwischen d t doorStat u r fahrung z u g htManag e u ator das L g ihrer Inter f ntralLocki n S AR. Die I n n entLibrar y r -Interfaces z en (im Be i U ML-Opera t v e r -Interfac e H albkreise i onment- E mponenten R -Kompon e e ) das Ko m o genannten c hreibt vers c R unnables) , ereiche (E x L spezifizi e e nden b esc h r iablen. Meyer, Hol t z ifizierte P o P ort doorS t ype- Verb i r iegelungs s Manager i s e i der Inter f d damit d e o rSts das I n d en beiden u s von Ce n u bringen. W e r über die icht anod e f aces (prov i n g ) oder R n terfaces tr a y . Dabei u n . Erstere w e i spiel IntrL i t ionen besit e durch Pf e i n den Port s E bene spezifizier t e nten defini m munikati o Internal-B c hiedene A , gemeinsa m x clusive Ar e e rte Verhal t h ränken wi r t mann, Koch, o rts und S c ts , der üb e i ndung). D a s tatus der T st ebenfall s facetypisie r e ssen Attri b n terface be n n Ports ka n n tralLocki n W enn sich d UML-Ope r e r ausschal t i ded oder r R Ports (z. B a nsformier e n terscheide n e rden aus U iMngr_IF ). t zen (im B e e ile in den s visualisie r t und insta n i ert wurden , o nsverhalte n ehavio r -El e A spekte, wi e m genutzte e a). Zur Ge n t en (siehe A r uns auf d i Meye r c hnitt- e r das a s In- T üren s über r ung). b ut an n ötigt n n die n g led ieser r ation t en. r equi- . Port e n wir n wir U ML- Letz- e ispiel Ports r t. n ziiert , wird n der e ment e zum Va r in erie- A bbil- i e Be- Gene r 2.2. 1 Run n Ko m wer d Mo d renz Die T ner K Akti v Run n alle S mati o den u In u n Inte r «Sw c tor i m lich e «Ru n über in B i Ko m vok e Neb e Info r zugr e te d e defi n b en d In u n Bei d Tra n Ligh tens 2.2. 2 Inte r dass r ierung von A Ge n 1 n ables sind m ponente. S i d en könne n d ells defini e in einen K o T ransform a K omponent e v ierung be n n able aktiv i S chnittstell e o n über da s u nd wurde i n serem Be r iorLightA c c Internal B m Paket C o e n UML-O p n nableEntit y das RTE- E i ld 3). Aus m ponente In e dEvent» u n e n der Akt i r mationen d e ift. Diese I e r UML-O p n ieren, d as s d auf einen R n serem Bei s d iesem Ar g n sformation tStatus ei n ity ) zur Sp e Ge n 2 r runnable- V Runnables A UTOSAR-M o n erierung v zentrale E l i e beschrei b n . Das Ver h er t. Stattdes o mponente n a tion in die e ein Runn a n ötigt. Der A i eren könn e e n, für Sen d s aktiviere n i n unserem ispiel gen e c tuator . D B ehavio r ») i o mponent L p erationen l y ») erzeugt E vent Oper a diesem G r teriorLigh t n d dem Na m i vierung ei n d arüber, au f I nformatio n p eration vo s ein Runn a R ückgabe w s piel besitz t g ument han d in die R T n DataRea d e zifikation d n erierung v V ariablen si n eines Inter n o dellen aus U v on Runn l emente ei n b en Funkti o h alten der s en wird d i n typ eingeb u RTE-Eben e a ble-Eleme n A UTOSA R e n. Die RT E d er/Receiv e n de Ereigni s Ansatz mit rieren wir azu wird z i nnerhalb d L ibrary an g l ightOn u n . Im UML- M a tionInvok e r und werde n t Actuator z m en der je w n es Runna b f welche D a n en sind in u rhanden u n a ble-Eleme n w ert zugreift t lediglich d d elt es sic h T E-Ebene i d Access-El e d es Datenz u v on Inter r n d eine w e n al-Behavi o U ML-Spezifik a ables n es Internal - o nen, die d u Funktion w i e Impleme u nden. e erzeugt f ü n t. Darübe r R -Standard d E -Ereigniss e r und für C s einer UM Hilfe eine r das Kom m z uerst ein d er AUTOS A g elegt. Ans c n d setLigh t M odell ist d e d gestartet n im Inter n zwei Elem e w eiligen U M b les, forde r a ten ein Ru n u nserem U M n d können n t lesend a u . d ie UML-O p h um einen i m Runnab e ment mit d u griffs ang e r unnable- V e itere Funk t or -Element s a tionen - Behavior- E u rch ein RT w ird nicht ntierung d e ü r jede öff e r hinaus we r d efiniert z w e werden i n C lient/Serv e L-Operatio n UML-An n m unikations Internal-B e AR -Komp o c hließend w t Status Ru n d efiniert, d a werden ( U n al-Behavi o e nte mit d e M L-Operati o r t der AU T n nable-Ele m M L-Modell entspreche n u f einen Ei n p eration se t Eingabepa r le-Element d em Name n e legt. V ariablen t ion der R T s ihre Date n E lements ei n E -Ereignis innerhalb d e r Funktion e ntliche U M r den Infor m w ölf RTE-E r n allgemei n e r untersch i n ist in U M otation erg ä v erhalten d e havio r -Ele m o nente Inte r w erden für d n nable-Ele m a ss beide U M U ML-Annot a or -Element d e m Stereot y o n angelegt. T OSAR Sta n m ent lesend bereits dur c n d übertra g n gabepara m t LightStat u r ameter. D a der UML - n des Para m T E-Ebene u n untereina n Se i i ner AUTO (Event) ak t d es AUTO über eine M L-Operati o m ationen üb r eignisse, d n e Ereignis s i eden. Die I M L nicht v o ä nzt. d er Komp o m ent (Ste r r iorLightA c d ie beiden ö m ente (Ste r M L-Opera t a tion Activ der AUTO y p «Operat i ndard zus ä d oder schre c h die Arg u g en werden m eter und s c u s ein Argu m a her wird b e -Operation m eters ( lig u nd erlaub e n der austau s i te 167 S A R - t iviert SA R - Refe- o n ei- e r die ie ein s e für I nfor- o rh a n- o nente eotyp c tuaffent- r eotyp ionen ation S A R - i onInt zlich ibend u men- . Wir c hreim ent. e i der sethtIn- e n es, s chen. Seite Der und imm e dass die D Ver fü fort e Gen e Die UM L eine die g hina u schr e satz k Das Ope r Vari a wird die U wird Na m Run n 2.2. 3 Für d Stan d Tool neri e auc h dies e b ei i gene der K men t über Mo d 168 AUTOSA R implizite I e r auf die a die Daten D aten in de r fü gung gest e e rkannt, so n e rierung de r Verwendu n L -Aktivität s weitere öf f g emeinsam u s muss i m e ibend auf d k ann dies a u UML-Akti r ation ligh t a ble lightI dieser We U ML-Oper a bei der T r m en lightIn t n able light O Ge n 3 d ie Imple m d ard auf ei n l s (BMT) [ A e rt wird. W i h Verhalten e n lässt sic h st von Vor t rierte Teil k K omponent t ation-Bere i den Speic h d ell spezifiz i R -Standard I nterrunna b a ktuellen D immer ko n r RTE zwis e llt. Eine Ä n dern erst n r RTE-Ebe n n g von Int e s diagramm e f entliche U M genutzten m AUTOS A d ie Interru n u s dem Da t vitätsdiagr a t On . Inner h ntensity b rt als Arg u a tion setLi r ansformati t ensity er z O n schreib e n erierung d m entierung d n e modellb A UT11]. D i e in Bild 3 in Form v h C-Code g t eil, dass i m k onsistent z enbeschrei b i ch mit ei n h erort des C i ert werden unterschei d b le-Variabl e a ten zugeg r n sistent sin d chengespei c Ä nderung d e n ach eine m n e implizite e rrunnable- V e abgeleite t M L-Operati Daten jew e AR -Modell n nable Vari a t enfluss zw i a mm recht s h alb des A k b erechnet ( u ment beim ghtStatus on in die R z eugt. Das e nd auf die I d er Imple m d es Verhalt e asierte Ent w i es können 3 dargestell t v on Aktivi t enerieren, d m Gegensa t z um Mode l b ung hinter l n em XFile- E C odes und d und werde n d et aufgrun d e n. Bei ex p r iffen werd e d . Bei imp l chert und d e r Variable n m erneuten A Interrunna b V ariablen k t werden. W i on derselb e e ils eine In definiert w a ble zugrei f i schen den U s oben in B k tivitätsdia g ( Aktion co Operation s zu dersel b R TE-Eben e Runnable s I nterrunna b m entieru n e ns der Ru n w icklung m z. B. UM L t , ist in uns t äts- und Z d er zum Te t z zu einer l l ist. Der C r legt werde n E lement f ü d ie Zugehör i n durch die d der Art d p liziten In t e n. Die RT l iziten Inte r d iese Kopie n wird von A ufruf. Sta n b le-Variabl k ann aus d W ird inner h e n Kompon e t errunnabl e w erden, wel c f en kann. I n U ML-Oper a B ild 3 zeig t g ramms wi r mputeLig h s aufruf set L b en Kompo e eine Inter r s etLightSt a b le-Variabl e n gsebene n nable-Ele m m ittels soge n L -Werkzeu g erem UM L Z ustandsdia g il manuell e komplett m C ode muss n . Dies ist d ü r jedes R u i gkeit zum R Modelltra n Meyer, Hol t d er Datenü b t errunnable - E -Ebene st e r runnable- V den ander e diesen Ru n n dardmäßi g en erzeugt. d em UML- M h alb einer e nte aufger u e Variable e c hes Runn a n unserem M a tionen ab g t das Verh r d ein Wer t h tIntensity ) L ightStatu s n ente wie r unnable- V a tus greift e zu. m ente setzt n annter Be h g e sein, aus -Modell ne g rammen b e rgänzt we r m anuellen E m it Hilfe e d er sogena n u nnable. Di R unnable k n sformation t mann, Koch, b ergabe ex p - Variablen ellt dabei s V ariablen w e n Runnabl e n nables nic h g werden b e M odell üb e UML-Ope r u fen, so wi r e rzeugt. D a a ble lesend M odellieru n g eleitet wer d h alten der U r t für die i n ). Abschli e s übergebe n lightOn g e V ariable mi t lesend un d der AUTO h avio r -Mo d denen Co d e ben der St r b eschrieben . r den muss. E ntwicklun g e iner Refer e n nte SWCI m i e Informa t k önnen im U n berücksic h Meye r p lizite kann i cher, erden e s zur h t so- e i der e r die r ation r d für a rüber bzw. n gs a nd en. U ML- n terne e ßend n . Da e hört, t dem d das S A R - d eling d e ger uktur . Aus Hierg , der e nz in m pleionen U ML- h tigt. Gene r 2.3 Der b ons- S Soft w Einf l Basi s gete i über der S zifik a Die B Auft e Ent w tion e Tra n Betr i Hier b for m Hier z AU T ve-s p dabe den n 3 Der i gen A Impl zeug kön n Mo d Erw e Bei d mög l ist f ü AU T lichs SA R r ierung von A Generi b isher bes c S oftware. E w are-Eben e l uss auf di e s -Software i lt. Die ein z Konfigura t S yste m - un d ation bzw. d B etriebssy s eilung frü h w icklungsp h e n ebenfall s n sformation i ebssystem s b ei werden m iert, um di e z u werden d T OSAR Be t p ezifischen i werden a u n icht im Be Evalui i n diesem P A utomobil z ementieru n g wurde ge w n en und mi t d ellen mögl e iterung de s der Imple m l ichst einfa c ü r einen Z u T OSA R -Ve r t vielen H e R -Modells o A UTOSAR-M o erung d e c hriebene T E ine weit e e . In dieser w e Qualitäts a ist in vers c z elnen Ko m t ionen gest d Software a d er Ressou r s temspezifi k h zeitig zu s p h asen zu ü b s in die A U aus de m s pezifikatio n die Tasks , e bereits ü b d ie UML-E t riebssyste m UML-Erw e u ch die Ta s ispiel enth a erung P apier besc h z ulieferer H n g erfolgte i m w ählt, weil d t tels mitgel ich ist. Di e s Werkzeu g m entierung c h verschie d u lieferer be s r sionen ein e rstellern a n o hne Ände r o dellen aus U e r Basis- S eil der Mo d e re wichti g w ird der Z u a nforderung c hiedene B e m ponenten w euert werd e a rchitektur i r cenverbra u k ation wir d p ezifiziere n b erprüfen [ N U TOSA R - K m UML-M o n entwicke l , Interrupts b erprüften E lemente au f m s abgebild e e iterung (si s kprioritäte n a lten. h riebene A n H ella KGa A m Softwar e d amit sowo h i eferter Pr o e zuvor be s g s realisiert. der Trans fo d ene AUT O s onders wi c s etzen und n geboten w e u ngen am U ML-Spezifik a S oftware - d elltransfo r g e AUTO S u griff auf d i en wie Ge s e reiche (St a w erden grö ß e n. Einige i n SysML/ U u ch (siehe B d bereits i m n und mitte l N MK10]. U K onfiguratio o dell in d l t. und die Z u E rgebnisse a f die entspr e t. Beispiel i ehe Bild 2 ) n berücksi c n satz wurde A Hueck & e werkzeug I h l SysML- o file ebenf a schriebene fo rmation w O SA R -Ver s c htig, da di e das Steue r e rden soll. S UML-Mo d a tionen - Ebene r mation be z S A R -Archit i e Hardwar e s chwindigk e a cks) und e i ß tenteils ü b der Konfi g U ML, wie z B ild 2). m UML-Mo d l s Echtzeit s U m diese b e n einfließe n d ie Konfi g u ordnung d a us dem U M e chenden K sweise wir d ) auf eine A htigt. Dies e gemeinsa m C o. entwic k I BM Ratio n als auch U M a lls die Mo d Modelltra n w urde beso n s ionen unte r e Automob r gerät des Z S o kann be i d ell die je w ieht sich a u e kturebene e definiert, d e it und Au s i nzelnen K o er Generat o g urationen e z . B. die Be t d ell vorge n s imulation b e reits vorha n n zu lassen g uration d d er Runnab l M L Modell K onfigurati o d eine Task A UTOSAR- e r Aspekt i s m mit dem i k elt und i m n al Rhapso d M L-Modell d ellierung v n sformation n ders dara u r stützt wer d i lhersteller Z ulieferers i der Erstel l eilige zu n Se i u f die App l ist die B die einen g r s lastung ha t o mponente n o ren erzeu g e rgeben sic e triebssyste m n ommen, u m b ereits in fr n denen Inf o n , haben wi r d er AUTO les darauf t zu überne h o nsparamet e in der aut o Task abge b s t aus Plat z i nternation a m plementier t d y. Dieses W l e erstellt w v on AUTO n wurde al s u f geachtet , d en können . unterschie d am Markt l ung des A U n utzende A U i te 169 l ikati- B asisr oßen t . Die n aufg t, die h aus m spem die fr ühen o rmar eine S A R - t ransh men. e r des o motib ildet; z grün- a l tätit . Die W e r kerden S A R - s eine dass . Dies d liche mög- U TO- U TO- Seite SA R wo fü Die T die v b is z teilt Als E zu e i Dar ü vom sind zeug defi n erke n wer d auc h 4 Die E tels M schr i Unt e In [ S fe ei n b esc h AU T tige I Soft w In [ G AU T dies e tigte n dies e um d wir a 170 R -Version a u fü r jede unt e T ransform a v erschieden z u Komfort s und es arb E rgebnis d e i ner Zeit- u n ü ber hinaus UML-Mo d in letzter Z g s, welche d n iert, in Fo r n nen, dass d en. Dies g e h eine Trans V erw a E inbindun g M odelltran s i eben. In di e e rschiede z u S WCD13] s t n er Modell t h ränken si c T OSA R -Sta n I nformatio n w are werde n G HN09] w e T OSA R -Ap p e s Ansatzes n Informat i e m Grund h d ie entspre c a uf Basis di u sgewählt w e rschiedlic h a tion ist so i en Bereich e s teuergerät e eiteten me h e s Einsatze s n d damit K o hat sich h d ell zum A Z eit verstä r d ie Daten u r m von A U einzelne S e schieht eb e formation v a ndte Ar b g des AUT O s formation e e sem Absc h u unserem A t ellen die A t ransforma t c h die Aut o n dards, d.h n en, wie di e n nicht ber ü e rden Tra n p likations- S [FHH+12] i onen in d e h aben wir i n c henden In eser Eleme n w erden. Di e h e AUTOS A i n serienna h e der Steu e e n, berücks i h rere Entw i konnten w o stenerspar n h erausgeste l A UTOSA R - r kt dazu ü b u nd die Ve U TOSA R - M S oftwareko m e nfalls in F o v on AUTO S b eiten O SA R -Sta n e n wird in d h nitt werde n A nsatz bena n A utoren ein e ion ein A U o ren aber a u . es werden e Definitio n ü cksichtigt. n sformation s S oftware b e hat sich g e e r Systema r n unserem M formatione n n te weitere e s ist ein gr o AR -Versio n h en Entwic k e rgeräteent w ichtigt wur d i cklungstea m w ir feststelle n is bei den l lt, dass di e - Modell ni c b ergangen, e rbindung d M odellen a u m ponenten o rm einer A S AR ins U M n dards in di d er Literatu r n diese An s n nt. e Studie vo r U TOSA R - M u f die Tran s n nur AUT O n von Run n s regeln zw i eschrieben. e zeigt, dass r chitektur n M odellieru n n modellie r Transform a o ßer Vortei n ein eigene s k lungsproj e w icklung, v o d en. Die P r m s mit bis n, dass die Softwarear c e Transfor m c ht ausreic h die Kom m d es Steuerg e u szutausch e vom Aut o A UTOSA R - M L-Modell e Entwickl u r auch in e i s ätze kurz b r , wie aus e M odell entst e s formation O SA R -Insta n n ables oder i schen ein e In einer viele der f ü n och nicht z n gsansatz w r en zu kön n a tionsregel n Meyer, Hol t l zum bish e s Modell er s e kten evalu i o n Fahrera s r ojekte war zu 100 E n v orgestellt e c hitekten f ü m ation nur h t. Die Au t u nikations m e rätes mit a n. Zudem i o mobilhers t - Datei. Dah zu ermögli c u ng von St e i nigen ande b eschrieben i nem UML - e ht. In ihre m von Syste m n zen erzeu g die Generi e e m SysML - ausführlic h ü r die Tran s z ur Verfüg u w eitere Ele m n en. Darüb n erstellt (v g t mann, Koch, e rigen Vor g r stellt wurd e i ert worden s sistenzsys t r en weltwei n twicklern d e Transfor m ü hrt. in der Ric h t omobilher s m atrix des a nderen G e ist ein Tre n t eller zuge l h er ist es wi c hen. t euergeräte n e ren Arbeit e und wese n -Modell m i m Lösungs a m Templat e g t. Weitere w erung der B - Modell u n h en Evalui e s formation b u ng stehen m ente eing e b er hinaus h g l. Abschni t Meye r g ehen, e . , dass t emen t verd aran. m ation h tung s teller Fahr- e räten n d zu l iefert c htig, n mit- e n bet liche i t Hil- a nsatz e s des w ich- B asisd der e rung b enö- . Aus e führt, h aben t t 2). Gene r 5 Die K roni s neh m ten F nen T tive der e Übe r Die etab l von Ver h war e nete, Ein g reits man u und i Mo d deut l Wir h tion a lung s die P dam i fest g sich stell e Lit e [AU T [ASI G [FH H r ierung von A Resü m K omplexit ä s ch umges e m en die Ab h F achdiszipl i T eil eines f SPICE ko n ein fachdi s r gang in di e Softwaree n l ierten AU T Kompone n h altensmod e e entwicklu n , angepasst e g roßer Teil in den U M u ell übertr a i m Softwar e d ell automa t l ich über v e h aben den A a l tätigen A s projekten m P raxistaugli c i t Kostener g estellt. Ins b aus Sicht e er effizient b e ratur T 11] AU T G 10] A UT O Mod e H +12] F OC K M EY Do m Mod e lin/ H A UTOSAR-M o m ee und ä t moderne r e tzter Fun k h ängigkeit e i nen und d e f ür die Aut o n formen Pr o s ziplinüber g e Softwaree n n twicklung m T OSA R -St a n tenmodelle e llierung. D n g geeignet. e Modelle a u der für d i e M L-Modelle n a gen werde e werkzeug t isch ein ini e rwandte A r A nsatz und A utomobilz u m it bis zu c hkeit des A sparnis du r b esondere d e ines Zulie f b edienen z u T OSAR G BR .: O MOTIVE S PE C e l. Release v 4 K EL , M.; H EI D ER , J.; M EYE R m ain. In: Klau s e l-Based Eng i H eidelberg: S p o dellen aus U Ausblic k r Fahrzeug e k tionen un d e n zwische n e r Software a o mobilindu s o zesses für g reifendes n twicklung m uss des W a ndard erfo l n , verfügt D er Standa r Daher ver w u f Basis de r e AUTOS A n vorhande n n müssen, IBM Ratio n t iales AUT O r beiten hin a insbesond e u lieferer H e 100 Entwi c A nsatzes g e r ch die Re d d ie Unters t f erers als w e u können. AUTOSAR S C IAL I NTERES T 4 .5. 2010 D L , P.; H OLT M R , M.; S CHÄU F s Pohl, Haral d i neering of E m ringer, S. 15 7 U ML-Spezifik a k e steigt au fg d deren V e n den versc a nteil mass strie angep a die Entwi c Systems E unterstützt W eiteren k o l gen. AUT O aber nur ü b r d ist für d w enden wi r r weit verb r AR -Modelli e n . Damit d i haben wir n al Rhapso d OSA R -Mo d a us. e re die auto m e lla KGaA H c klern prak t e zeigt wer d d uzierung f t ützung ve r ertvoll erw i S tandard, Ver T G ROUP (SI G M ANN , J.; H OR N F FELE , J.: Ap p d Hönninger, R m bedded Sys t 7 -175. 2012 a tionen g rund der z e rnetzung u hiedenen a n iv zu. In d i a ssten, zu m c klung von n gineering . o nform zu m O SAR unt e b er einges c d ie späte, i m r für die fr ü r eiteten U M e rung benö t i ese nicht a u eine Mod e d y implem e d ell generi e m atische T r H ueck & C t isch erpro b en. Zum a n f ehleranfäll i r schiedener i esen, um v sion 4.0: ww w G ): Automoti v N , W.; H ÖFF L p lication and E R einhold E. A t ems. The SP E z unehmend e u ntereinand e n der Entw i esem Beitr a m Reifegrad m Steuerger ä und eine n m in der A u e rstützt zw a c hränkte M m plementi e ü heren Pha s M L. t igten Info r u fwändig u n e lltransfor m e ntiert, die a e rt. Die Tra n r ansformati C o. in serie n b t. Dabei k o n deren wur d i ger, manu e AUTOSA R v erschieden e w .autosar.org, e SPICE – Pr o INGER , J.; H Ö E valuation in t chatz und M a E S 2020 Met h Se i e n Anzahl e r. Insbeso w icklung be t r ag haben w d modell Au t ä ten beschr i n systemati u tomobilin d a r die Erst e M öglichkeite e rungsnahe s en besser g r mationen i s u nd fehlera n m ation kon z a us einem U n sformatio n i on beim in t n nahen Ent w o nnte zum d e eine Zei t e ller Tätig k R -Version e e Automo b , 2011 ocess Refere n Ö NNINGER , H. ; the Automoti v a nfred Broy ( H h odology. Ber i te 171 e le k tndere t eiligw ir eit o m o- i eben, s chen u strie e llung n der Softg eeigs t ben fällig z ipiert U ML- n geht t ernaw ickeinen t - und k eiten e n hat b ilhern ce v e H g.): - Seite 172 Meyer, Holtmann, Koch, Meyer [GHN09] GIESE, H.; HILDEBRANDT, S.; NEUMANN, S: Towards Integrating SysML and AUTOSAR Modeling via Bidirectional Model Synchronization. In: Tagungsband Dagstuhl-Workshop MBEES: Modellbasierte Entwicklung eingebetteter Systeme, Seiten 155-164. Informatik- Bericht 2009-01 TU Braunschweig, Institut für Software Systems Engineering Technische Universität Braunschweig, 2009 [GRS14] GAUSEMEIER, J.; RAMMIG, F.-J.; SCHÄFER, W.: Design Methodology for Intelligent Technical Systems – Develop Intelligent Technical Systems of the Future. Berlin/Heidelberg: Springer (Lecture Notes in Mechanical Engineering). 2014 [Mey15] MEYER, J.: Eine durchgängige modellbasierte Entwicklungsmethodik für die automobile Steuergeräteentwicklung unter Einbeziehung des AUTOSAR Standards. Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, Universität Paderborn, Paderborn, 2015 [NMK10] NICKEL, U.; MEYER, J.; KRAMER, T.: Wie hoch ist die Performance? Automobil-Elektronik, Seite 36-38, 2010 [SWCD13] SELIM, G.M.K.; WANG, S., CORDY, J.R.; DINGEL, J.: Model transformations for migrating legacy deployment models in the automotive industry, In Journal of Software and Systems Modeling. Springer Verlag, 2013 Autoren Dr. Jan Meyer arbeitete von 2006 bis 2011 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Software Quality Lab (s-lab) der Universität Paderborn. Er war dort zusammen mit industriellen Kooperationspartnern an verschiedenen Forschungsprojekten im Bereich der modellbasierten und verteilten Softwareentwicklung, insbesondere im Automotive- Umfeld, beteiligt. Seit 2011 arbeitet er bei der Hella KGaA Hueck & Co. in der Abteilung Prozesse, Methoden und Tools. In dieser ist er verantwortlich für die modellbasierte Architekturentwicklung mit SysML, UML, AUTOSAR und für Echtzeitsimulationen. Jörg Holtmann ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung »Softwaretechnik« der Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT. Dort leitet er verschiedene, industrienahe Forschungsprojekte. Seine Arbeitsschwerpunkte liegen im formalen Requirements Engineering für softwareintensive, eingebettete Systeme sowie im modellbasierten Systems Engineering. Thorsten Koch ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung »Softwaretechnik« der Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT. Seine Schwerpunkte liegen im Requirements Engineering für software-intensive, eingebettete Systeme sowie im Variantenmanagement. Dr. Matthias Meyer war von 2002 bis 2007 wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Softwaretechnik und von 2008 bis 2010 Geschäftsführer im Software Quality Lab (s-lab) an der Universität Paderborn. Seit 2011 leitet er die Abteilung »Softwaretechnik« der Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT. Seine Arbeitsschwerpunkte liegen im Bereich des Softwareentwurfs, des Re-Engineerings bestehender Software und der modellbasierten Entwicklung und Qualitätssicherung eingebetteter Softwaresysteme Selbstdiagnose und Selbstoptimierung technischer Systeme auf Basis datenbasierter Prozessmodelle Dr. Stefan Windmann, Prof. Dr. Oliver Niggemann Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial Automation (IOSB-INA) Langenbruch 6, 32657 Lemgo Tel. +49 (0) 5261 / 94 29 20, Fax. +49 (0) 5251 / 60 62 68 E-Mail: stefan.windma[email protected] Zusammenfassung Industrielle Automatisierungssysteme werden aufgrund zunehmender Vernetzung und steigender Rechenleistung immer komplexer. Dadurch wird es für das Anlagenpersonal immer komplizierter, Prozessabläufe zu überwachen und zu optimieren. Eine Lösung für diese Problematik stellen intelligente Assistenzsysteme dar, die die Selbstdiagnose und -optimierung technischer Systeme ermöglichen. In diesem Artikel werden verschiedene Assistenzfunktionen dargestellt, die in Form der Toolbox proKNOWS schon heute in industriellen Anwendungen eingesetzt werden. Eine datengetriebene Prozessmodellierung ermöglicht den flexiblen Einsatz der betrachteten Assistenzsysteme in komplexen Automatisierungssystemen. In diesem Ansatz werden Modelle diskreter und kontinuierlicher Prozessanteile, die zur Diagnose und Optimierung verwendet werden, aus Prozessdaten gelernt. Bei großen historischen Datenmengen ermöglicht die MapReduce-Technologie ein effizientes Lernen der Modelle. Zur Erfassung der Daten kommen verschiedene Konnektoren für proprietäre Protokolle und Datenbanken zum Einsatz, die entweder direkt oder über OPC UA an die Analysesoftware angebunden werden können. Die Prozessüberwachung und Fehlerdetektion basiert auf dem Vergleich des mittels der gelernten Prozessmodelle prädizierten Prozessverhaltens mit Beobachtungen des tatsächlichen Prozessverlaufs. Separationsansätze ermöglichen zudem die Zuordnung erkannter Fehler zu einzelnen Systemkomponenten und damit eine genauere Fehlerdiagnose. Darüber hinaus werden die gelernten Prozessmodelle zur Selbstoptimierung technischer Systeme eingesetzt – beispielsweise zur Optimierung industrieller Automatisierungssysteme in Hinblick auf einen energieeffizienten Betrieb. Die beschriebenen Assistenzfunktionen wurden bereits erfolgreich in Automatisierungssystemen der Lemgoer Smart Factory sowie in mehreren Industrieprojekten erprobt. Schlüsselworte Intelligente Technische Systeme, Assistenzsysteme, Prozessanalyse, Optimierung, Diagnose, Data Mining Seite 174 Windmann, Niggemann Self-Diagnosis and Self-Optimization of Technical Systems based on Data-Driven Process Models Abstract Industrial automation systems are growing more and more complex due to increasing computing capacities and expanding networks. These developments lead to a significant increase of data volume. Hence, monitoring and optimization of industrial processes is rendered more and more complex. Intelligent assistance systems provide solutions for these challenges by allowing for self-diagnosis and self-optimization of technical systems. The proposed paper describes some assistance functions which are already employed in industrial applications. Data-driven process modelling allows for flexible use of intelligent assistance systems in complex automation systems. In this approach, models for process monitoring and optimization are learnt from process data. The applied methods comprise both selflearning of finite state machines and automatic parametrization of continuous process models. MapReduce technology allows for an efficient learning of process models from historical data. Different interfaces for proprietary protocols and data bases are used for data acquisition. Data connections are directly integrated in a central infrastructure or connected via OPC-UA. Condition monitoring, automatic failure detection and self-diagnosis are accomplished by comparison of predicted process behavior with observations of the real process. Furthermore, separation approaches allow for the assignment of recognized failures to particular system components and thus for a more precise diagnosis. The learnt process models are further applied for self-optimization of technical systems, e.g. for optimization of industrial automation systems with respect to energy efficient operation. The described assistance functions have been successfully evaluated in the Lemgo Smart Factory and in several industrial projects. Keywords Intelligent technical systems / assistance systems / process analysis / optimization / diagnosis / data mining Simu l 1 Im A den t satz, mith i forts c metr i reic h grup p b un g setzt e plex e oder not w sche n schi e aust a errei c Info r In tr a ver w kons gep a renh e kon k zwis c Ele m dies e groß e gun g gen „Vir t scha l fung e noc h sen, sam m die s [AB 1 nun g l ationsgetrieb e Einlei t A nlagenbau t atsächlich z Qualität, … i lfe von Si chritt stehe i e)-Modell e h e Systemsi p en und K o g der zugeh ö e Werkzeu g e n Modelle in verschi e w endig, um n . Modern e e denste Sc h a usches zw i cht. Aufw ä r mationen s a ditionell o w altet oft ei n truktion w e a sster Form e rsteller, F ö k reten Eins a chen versc h m enten und e r Modelle . en Teil der g szeichnun g daraus ab g t ual Protot y l tete Anw e en, Durchs a h geeignet a u bevor sie z m enarbeit m s ich durch m 1 4] genann t g “. Speziali s e ne Systemm o t ung (z.B. bei d e z u erwarte n … ) über di e mulatione n n typische r e in 3D-C A mulatione n o mponente n ö rigen Det a g e und an d innerhalb e e denen Wer k die hohe A e 3D-CAD - h nittstellens t i schen den ä ndige man u owie redu n rganisierte n n e eigene K e rden üblic h wiederver w ö rdertechni k a tzfall erfo r h iedenen V Querbezie h . Da diese Produktdo g en auch A g eleitet (in y ping“, „V i e ndungsfel d a tzsimulati o u fbereitet u z um Einsat m ehrerer S t m ehrere Fa k t wird, ist d s ten der Be r o dellierung e r Entwick l n den Leistu n e Entwickl u beantwort e r weise vom A D-System e n dienen. D a n ( m eist üb e a ilmodelle h d ie Konstru k e iner Softw a k zeugen di s A nzahl der - Systeme u n t andards, e i Systemen w u elle Tätig k dante und i n n Maschine n K onstrukti o h erweise B a w endet un d k hersteller, … derlich ist, V ersionen u n h ungen ers c CAD-Mod k umentatio A nimatione n [Lee05] w i rtual Man u d er wie Si m o nen,…) n u u nd mit zus ä z kommen t akeholder u k toren sch w d ie „perso n r echnung o d l ung von P a n gen/Eige n u ngsphasen et werden. mechanis c e n zur Ver fü a Förderanl e r 100000 E h ohe Anfor d k tions- un d a rewerkze u s ziplinüber g Objekte, P n d Simulat i ne Durchg ä w ird in der k eiten wie w n konsisten t n - und Anl a o nsabteilun g a ugruppen d detaillier t … ), deren D verbaut. D i n d Dateifo r c hweren d i d elle ab ei n n darstelle n n (Kunden p w erden daz u u facturing“ m ulationen u tzen ebenf a ä tzlichen I n können. D und Exper t w ierig gest a n elle Trenn u d er Simula t a ketförders y n schaften d e immer wi e Ab einem c hen Teil d e ü gung, die agen aus e i E lemente) b d erungen a n d Arbeitsme u gkette übe r g reifend w e a rameter u n ionswerkz e ä ngigkeit d e industriell e w erkzeugü b t e Daten si n a genbauun t g die CAD - aus vorang t e Modelle D etaillierun i e dabei no t r maten sow i e Handha b n em gewiss e n , werden n p räsentatio n u die über g usw. ange f (FE-Simul a a lls diese C A n formatione n D iese Aktiv i t en aus un t a ltet. Ein B u ng der K o t ion haben t y stemen) tr e e s Systems ( e der auf u n bestimmte n e r Anlage d dann als B a ner Vielza h b estehen, s t n Rechnerle t hodiken. W r Schnittste l iterverwen d n d Interakt i e uge unters t e s Informat i e n Praxis d b ergreifend e n d oft die F o t ernehmen v - Modelle. I e gangenen von Subli e g sgrad oft h t wendigen K i e die sehr b arkeit un d e n Entwic k n eben Stüc k n en) oder M g eordneten f ührt). Ko m a tionen, K o A D-Model l n angereic h i täten erfor d t erschiedlic h eispiel, da s o nstruktion v t eilweise n u Se i e ten Frage n ( wie z.B. D n d müssen n Entwickl d etaillierte ( asis für u m h l von Unt e t ellt die Ha n e istung, an e W erden die l len ausget a d et, sind A n i onen zu b e t ützen zwa r i ons- und D d ennoch oft e s Kopiere n o lge. v erantwort e I n einer Ge Projekten i e feranten ( M h öher als f ü K onvertier u hohe Anz a d den Aust a k lungsgrad k listen und M ontageanl e Themenbe r m plexere n a o llisionsüb e l e, die aber h ert werden d ern oft di e h en Diszip s in der Lit e von der B e u r geringe E i te 293 n nach D urchmeist u ngs- ( Geom fang- e rbaun dha- e ingekom- a uscht n sätze e he r rr ver- D atennicht n von e t und sa m t- i n an- M otoür den u ngen a hl an a usch einen Ferti- e itunr eiche chge- e rp r ümeist müs- e Zul inen, e ratur e rech- E rfah- Seite rung che n sis u n auf u b e) v übli c Aus t ter V defi n rung sowi schr i beo b schu n thod i wic k sam m kön n den, fügu n gew ü laris c b en ö tung e que n dera r Tra n B ild 294 mit 3D-C A n Zugriffsre c n d mit ge m u nterschied l v erteilt sei n c herweise d t ausch zwis c V erantwort u n iert. Nach beispiels w e Berechn u i ebenen kri t b achtet und n gs- und H i sche als a u k lung k onk r m enarbeit u n en diese A sodass je n n g steht, d e ü nschten F o c hen CAD - ö tigten Dat e e n,…) je n n z eines Tr ä r tiger Arb e n sformation e 1: Vorde fi den zie A D-System c hte noch d m einsamen M l iche Abtei l n . Wenngle d urch eige n c hen den A u ngsverhält n A NDERL u n w eise bei F r u ngsabteilu n t ischen Pu n auch von F H andlungsb e u ch durch e r eter Arbei t u nd den da b A rbeitsabläu n ach Bedar f e r eine (se m o rm unterst ü - CAE-Tool k e n (Haupt a n ach Mode l ä gers) aggr e itsabläufe, e n zusamm e fi nierte und lgerichtete n e n und auf d ie Lizenze n M odellen z u l ungen, St a i ch die Tä t n e Konstru k A nwendung e n isse – oft k n d B INDE [ A r eigabe- u n n gen betei l n kte von d e F irmenpartn e e darf. Um d ine softwa r t sabläufe f ü b ei notwen d f e direkt i n f und Aufg a m i-)automa t ü tzt bzw. a u k ette, wie i a bmessunge l lzweck (z. e giert/aufb e die sich a e nsetzen k ö angepasst e n Austausc h f ihrem Ar b n verfügba r u arbeiten. D a ndorte ode r t igkeiten i n k tionsrichtl i e n bzw. A b k eine oder A B14] füh r n d Änderu n l igt sind, z e n Autore n ern aufgez e d ie genann t r eseitige U n ü r die diszi p d igen Aust a n nerhalb de r a benstellun g t ische Ber e u sführt. Bi l i n einem A r e n, Materia B. Ermittl u e reitet wer d a us Arbeit s ö nnen, wird e Arbeitsab l h von Date n Weingart e eitsplatz si n r , um mit e i D ie Stakeh o r mehrere F n nerhalb vo n i nien unter s b teilungen – nur sehr al l r t diese un z n gsprozesse n z u Integrat i n auch in l a e igt wurde n t en Situatio n n terstützun g p lin- und a a usch von D r genutzten g ein geeig n e itstellung d l d 1 zeigt s c r beitsablau f l parameter, u ng der D u d en. Eine M s schritten w in den fol g l äufe unter s n zur Nutzu n e n, Hehenber g n d oft wed e i ner gemei n o lder könne n F irmen (z. B n Konstru k s tützt werd e – auch aufg r l gemein ge h u reichende n , in dene n onsproble m a ufenden I n , besteht di e n en sowoh l g zu verbes s a bteilungsü b D aten sinn v Werkzeug e n eter Arbei t d er benötig t c hematisch f die im Si m Randbedi n u rchbiegun g M ethodik f ü w ie z.B. E x enden Kap i tützen die A n g in Simul a g er, Boschert, e r die erfo r n samen Da t n darüber h B . Zuliefer b k tionsabteil u e n, sind f ü r und komp l h altene Pr o Prozessori e n Konstruk t m en. Da di n dustrieproj esbezüglic h l durch ein e s ern, ist di e b ergreifend e v oll. Im Id e e hinterleg t t sablauf zu r t en Daten i an einer e x mulations m n gungen, B g oder Eig e ü r die Erst e x traktionen i teln vorge s A ufbereitun g a tionen Rosen r derlienba- h inaus b etrie- u ngen r den l izier- o zesse e ntiet ions- e beekten h For- e me- e Ent- e Zu- e alfall t werr Ver- i n der x empm odell B elas- e nf r e- e llung oder s tellt. g und Simu l 2 2.1 Mo d im M tion s den Ent w men t Allg e delli e 2.2 Not w zwis c tiert. Tra n rung ) Kon z gen d fasst ein v gege Para m liert e rekt s hens w Mo d CAx zess e 2.3 Neb e über t der Geo m spiel Para m fang s l ationsgetrieb e Stand Klassi f d erne Simu l M odellierun s modelle se h Hierarchi e w icklungsu m t e mit An w e meingülti g e rungskon z Metho d w endige M a chen CAD Dabei wi r n sformation ) ein Netz z epte für d e d e Möglich k . Bei der d a v orab nicht n werden b m eter aus z e n Ausführ u s chnittstelle w eisen b d ellierungst e x -Prozesske t e n“ im Um f Daten a e n der Frag e t ragenden I Daten bz w m etrieform a l sweise ka n m eter erfol s -/Endpun k e ne Systemm o der Tec h f izierung l ationswerk z gskonzept ( h r flexibel m e n darüb e m gebungen w endungsbe g keit bzw. F z epte, die a u d en zur I n a ßnahmen u und FEM z r d ausgehe (Attribute d generiert u e n Datenau k eiten der a bei vo r ge s vorhanden e b ei einer p a z wei Model l u ngen in [ V n, Möglic h b ei der e chniken) v t ten als „fo r f eld der Me c a ustausc h e der geeig n I nformatio n w . der Mo d a t zur Übe r n n durch di e gen (im F a k t), was an d o dellierung h nik von Sim u z euge für P ( siehe [Ele 1 m ithilfe all g e r existier e und Simu l zug unters t F lexi b ilität. u f der Konf i n tegratio n u nd Arbeits z u erreiche n n d von ei n d itor, Det a u nd das An a s tausch zw i Schnittstel l s tellten mo d e s Modell B a rameterori e l en A und B V WB+09] i h keiten du r Modell e v erwiesen. I r male und h c hanischen h format u n eten Schn i n en erarbeit e d elle einsc h r tragung v o e Nutzung a ll eines Z y d ere (event u u lations w P roduktion 1 2] und [A I g emeiner P r e n spezie l l ationsumg e t ützt) bis h i Diese Arb i guration v o n von So schritte, u m n , wurden b n em Produ k a ileditor, D a lysemodel l i schen CA D l enkommu n d ellorientie r B aus eine m e ntierten V B verbund e i n Bezug a r ch parame e rstellung I n [Rou14] h ierarchisc h Konstrukti u nd A ufb i ttstelle mu s e t werden, h ließt. Nic h o n Geomet r von Sym m y linders si n u ell zweck m w erkzeug und Logis t I K+08]). G r r ogrammie r l le Simul a e b ungen ( m i n zu Spez i eit bezieht o n Biblioth e ftwarew e m eine stär k b ereits im J a k tdatenmo d D imensional l erstellt. I n D - und FE M n ikation vo r r ten Schnit t m vorhande n o rgehensw e e n. An dies e a uf Kopplu n t rische M o (z. B. werden au s h e Strukturi o n vorgest e ereitung s s vorab ei n das auch e h t immer r ieinformat i m etrien eine n d das beis p m äßigere) M e n t ik untersc h r un d legend r sprachen e r a tionssprac h m eist durc h i alsimulato r sich haupt s e kselement e e rkzeuge n k er automat i a hr 1993 in d ell, über e i tätsredukti o n [Amf02] M -Systeme n r gestellt u n t stellenkom m n en Modell A e ise gemei n e r Stelle wi r n gsmöglich k o dellierung, CAD-, F s gehend vo e rung von I e llt. der Date n n Konzept f ü ine geeign e ist es not w i onen zur v Reduktion p ielsweise M ethoden f ü Se i h eiden sich können Si m r stellt werd e h en, Sim u h Bibliothe k r en mit ge r s ächlich au f e n basieren . n i sierte Kop p n [ABS93] d e ine CAD- F on und G l werden m e n sowie gr u n d zusam m m unikatio n A generier t n sam auftr e r d auf die d k eiten (z. B …) und V F EM-, M o n CAD ty p I nformatio n n ü r die konk r e te Aufber e w endig ei n v erwenden. auf wese n Radius un d ü r den Dat e i te 295 stark m ula- e n. In u lato r - k seler inger f Mo- . p lung d is k u- F EM- l ie d e- e hrere u ndleenge- n wird t , hin- e tende d etail- B . Di- V orge- M KS- p ische n sp r or et zu e itung n 3D- Beit liche d An- e naus- Seite taus c [NT A trag u weil Unt e sent a phys schr i (Re n der d AP2 scha f durc h Aut o 2.4 Um e rele v derli c rung und The m anal y in d e b eis p 3 In d e gan g woh l auc h deta i die T b eits dell e um d zust e eine 296 c h ermögl i A +14] vor g u ng dieser dadurch e i e rschiedlich a tionen von ikbasierte S i eben, wie F n dering, Vi r derzeit am 14, VRML 9 f ten, Meta d h geführt. D o renwerkze u Mögli c hänge e ine effizie n v anten Soft w ch. Speziel und Darst Prozesse tr m enbereich e y siert und d e r Literatu r p ielsweise i n Gener temm o e r entwick e g spunkt für l geometris c h an andere i llierten 2D T eilschritte abläufe zu r e zusamme n d ie Konsist e e llen, und M Integratio n i cht (Mö g g estellt). Im wesentlich e i ne einfach e Technik e 3D-Geom e S imulation e F eatureb as i r tual Manu f weitesten 9 7, X3D 3. d aten, Leic h D arin wird u ge sowie v c hkeiten z zwische n n te Zusam m w arewer k z e l zur Anal y ellung hilf r ansparent z e Entwick l d ie Abhäng i r weit verb r n [Lin11] e ische M e o dellier u e lten Meth o die Arbeit s c he als auc Anwendu n -CAD-Lay o beschrieb e r Erstellun g n setzen. In A e nz der Mo d M öglichkei t n der Soft w g lichkeiten genannten e n Hauptp a lesbare, i n e n zur Ver e e triemodell e e n sind in i erte Konst r f acturing,… verbreitet e 2 , JT und 3 h tgewichti g auch die L v on 3r d -Par t z u r tran s n Modell e m enarbeit z w e uge zu er m y se von Ä n r eich. Eine z u machen, l ungsproze s i gkeiten in r eitete Mo d i ngegange n e thodik z u ng o dik bilden s abläufe. I m h textuelle n gsfälle (wi e o uts) adapt i e n, aus de n g eines Si m A bschnitt 3 d elle inner h t en zur Im p w arewerkze u für dera r Beispiel k a a ramete r e i n terpretierb a e infachung e n für die A [TBS09] z u r uktionen i d … ) bereitges t e n neutral e 3 D-PDF hi n g keit und a n L eistungsfä h t y-Konvert i s parente n e n wischen d e m öglichen, i n derungsau s Möglichk e wird in [F s s, Modell e einer „Mo d d ellierungst n . z ur sim u Modelle m m Beispiel e Produktda t e z.B. erei g i ert/angew e n en sich u n m ulationsmo 3 .2 werden h alb der ve r p lementier u u ge ist ein e Weingart e r tige Mod e a nn eine Te x i nem 3D- D a re und m a von Oberf l A nwendun g u sammeng e d ealisiert u n t ellt werde n n 3D-Dat e n sichtlich g e n deren Kri t h igkeit der i erungswer k n Darstel n Stakehol d st eine gen a s wirkungen e it, die oft HS+14] v o e , Organis a d el Depen d echniken w u lations g m it hohem D e ines 3D- C t en enthalt e g nisdiskrete e ndet werd e n idirektion a dells auf B b i d irektion a r schiedenen u ng der Ar b e Zuordnu n e n, Hehenber g e llreduktio n x tdatei (X M atenformat n ipulierbar e l ächen- un d sbereiche F e fasst. In [ L n d für ande r n können. E iformate I G e ometriesp e t erien wird Exportmo d k zeugen ge g lung de r d ern und di a ue Situati o ist ein gra f komplexen rgestellt. D a tion und ency Map“ w ie UML u etriebe n D etaillierun g C AD-Model l n. Die Me t Simulatio n e n. In Absc h a le (rückwi r B asis beste h a l notwend i Software w b eitsabläuf e n g zwische n g er, Boschert, n e n werd e M L,…) zur Ü überlegen e Datei en t d Volumen r F EM oder a L ee05] wi r r e Anwend u E ine Evalui e G ES 5.3, S e zifischer E in [FLL+ 1 d ule verbr e g enüberges t r Zusam m e Integrati o o nsanalyse e a fische Mo d n Verknüpf u D abei werd e Kommuni k “ dargestell t u nd SysML n en Sysg sgrad den ls sind dar i t hodi k kan n n auf Basis hnitt 3.1 w r kungsfrei e h ender Det a i ge Maßna h w erkzeuge s i e dargestell t n Elemente n Rosen e n in Ü bersein, t steht. r ep r ändere d be- u ngen e rung S TEP E igen- 1 1-ol] e iteter t ellt. m en- o n der e rford ellie- u ngen e n die k ation t . Auf wird Aus- i n son aber eines erden ) Ar- a ilmoh men, i chert . Für n aus Simu l dem lich. auf d keit b der S zugr u [ES 0 orie n ons m Zent r tion e sen d Sim u der f terk r dell z che, /inn e eine r in [ E ausr e oder aus S wird tiert B ild 3.1 Nac h ist, w l ationsgetrieb e Detailmod e Um diese n d as Beispie b ei der Zu o S imulation u nde lieg e 0 9]). In CA D n tierte Bau g m odells me i r um steht. N e n der einz e d iese erst i d u lation erfo f ür eine Kl a r iterien eig n z ugeor d net Volumen, A e nliegende F r Gruppe, B E S09]). We n e ichen, kön automatis c S icht der S , das in de n [Lin11] im 2: B eispi e Detail m Erstell u Aufba u h dem der Z w w ird in ein e ne Systemm o e ll und den n wesentlic h l 3D-CAD o rdnung vo n entsteht d a e n (vgl. „ P D -Systeme n g ruppenstru k i st eine fun k N achdem i n e lnen Baug r d entifiziert u rderlichen M a sse releva n n en sich M e wurden. B e A bstand v o F läche), P a B enennung, n n die in d e nen zusätz l c h (aufgrun d imulation g n Phasen de r Kontext d e e l einer Fu m odell (CA D u ng und u eines S w eck des S i er Abstim m o dellierung zum Aufb a h en Schritt d und Förde r n Elemente n a durch, da s P hasenabh ä n wird bei m k turierung v k tionsorien t n 3D-CAD- S r uppen nic h u nd nachge b M odelltyp e n ten Geom e rkmale, di e e ispiele da z o n einem R e a rameter ( M Status - si e e n Modelle n l iche Attrib u d bestimmt e g ünstige M e r Detaillier u e r „Virtuell e n ktionsstru k D ) mit Ele m Nutzun g imulatio n i mulations m m ung zwis c a u der Sim u d eutlich zu r techni k -Si m n aus dem G s s untersch i ä ngige Au s m Modellau f v erwendet, t ierte Betr a Systemen o h t explizit a b b ildet werd e e n oder Kl a e triedaten k e im CAD- M z u sind Ge o e ferenzpun k M aterialver g e he auch N n bereits en t u te definie r e r Kriterie n e thode, bei u ng mit C A e n Inbetrie b k tur zur Ve m enten aus e g unidir e n smodell s m odells ber e c hen allen b u lation ben ö machen, w m ulation e i G eometrie m i edliche O r s prägung v f bau i. Allg während b a chtung (vg o ft die funk t b gebildet u n e n, damit e i a ssen erfol g k önnen Filt e M odell dire k o metrie-Me r k t, Lage a x g abe, Mass e N ummern- u t haltenen M r t und den M n und Regel der erst ei n A D-Modelle n b nahme“. e rknüpfung e inem Simu l e ktionale r s e its hinreic h b eteiligten ö tigten Ele m w ird an dies e n gegangen . m odell zu M r dnungsstru k v on Produ k . eine ferti g e im Aufba u l . Verhalte n t ionale Sic h n d modelli e i ne Zuordn u g en kann. Z e r definiert w k t vorhand e r kmale (A b x ial/radial/t a e ), Attribut e u nd Klassif i M erkmale z u M odellen e n n ) zugeor d n n Funktion s n angereic h von Elem e l ationsmod e r Arbeit s h end bekan n Stakeholde Se i m enten erf o er Stelle k o . Die Sch w M odellbaus t u kturen (Si c k tstrukture n g ungs- oder u eines Si m n ssimulatio h t bzw. die F e rt werden, u ng zu den i Z ur Identifi k werden. A l e n oder de m b messunge n a ngential, a u e (Zuordnu n i zierungssy s u r Filterung n tweder m a n et werden . smodell ge b h ert wird, p r e nten aus e e l l s abläufe n nt und fest g e rn grunds ä i te 297 or der- o n k ret w ierigt einen c hten) n “ in prüfm ulatin ) im F unkmüs- i n der k ation l s Film Mon , Flä- u ßenn g zu s teme nicht a nuell . Eine b ildet r äsen- e inem zum g elegt t zlich Seite abge one n kön n nun g tion s die Ü unte r on e i Leis t da m B ild Für d Schr i gefil t lang e ser F steh e rung 2.3) hen j auf B mal e wer d 298 klärt, welc h n im beste h n en. Es soll t g svorgang, d s ergebnisse Ü bergabe m r stützt wer d i gnen. Im F t ungsfähig k m itunter nic h 3: Schem a Aufba u d ie Auswa h i tte notwe n t ert und g e e angepass t F ilterung a u e n als Basi s erfolgt die Modelle ü b j e nach We B asis der ü b e die zuge h d en. h e Informa t h enden Det a t en nur si m d ie Konsist e möglichst e m uss abge k d en bzw. w e F all einer D k eit/Eignun g h t alle benö t a zur Met h u eines Sim u h l und die V n dig. Zuers t e eignet agg r t und verfei n u sgeführte n s für zukün f Übertragu n b er die gew ä rkzeug ebe n b ertragene n h örigen Si m t ionen in d e a ilmodell v m ulationsrel e e nz zwisch e e infach zu h k lärt werde n e lche sich fü D irektschnit t g (vgl. Kap i t igten Infor m h odik für d u lationsmo d V orbereitun g t müssen d i r egiert wer d n ert, bis da n Arbeitssc h f tig benöti g n g der geei g ä hlte Schni t n falls Met h Modelle u n m ulationsba u e r Simulati o v orhanden s e vante Dat e e n den Dat e h alten. Bei n , welche S fü r die jewe t stelle ist z w i tel 2 ) mus m ationen g e d en unidir e d ells auf Ba s g zur Über n i e benötigt e d en. Merk m a s gewünsc h h ritte bzw. g te Arbeits a gnet aufbe r ttstelle. Na c h oden zur F n d der daz u a usteine id e Weingart e o n benötigt w s ind und w i e n übertrag e e n sowie di der Absti m S chnittstell e ilige Art d e w ar kein I m s allerding s e eignet üb e e ktionalen I s is eines D e n ahme sind e n Daten a u m ale (Filter k h te Ergebni s Arbeitsab l a bläufe zur r eiteten (si e c h dem si m ilterung zu r u im Autor e e ntifiziert, e e n, Hehenber g w erden, ob i e sie über n e n werden, e Interpret a m mung der D e n von bei d e r ausgetau s m port/Expo r s ebenfalls e rtragen we r I nformatio n e tailmodell s im Autore n u s dem det a k riterien) w s erreicht w l äufe werd e Verfügung . h e Method e m ulationssei t r Verfügun g e nsystem v e e ingesetzt u g er, Boschert, diese Info r n ommen w um den B e a tion der Si m D atenform a d en Werkz e s chten Info r r t notwendi g e valuiert w e r den. n saustausc h s n syste m m e a illierten M w erden dab e w ird. Die b e e n abgeleg t . Nach der e n aus Abs c t igen Impo r g . Damit k ö e rgebenen M u nd param e Rosen r matierden e rechm ula- a te für e ugen r matig , die e rden, h zum e hrere M odell e i so- e i diet und Filtec hnitt r t steö nnen M e r k- e triert Simu l 3.2 Bidi r ell b sche n Mo d Sim u weis u sen, men t ver w nen. Aus w habe in d i Änd e auto m sen R mit a Fun k der S rale Asp e tenb a erge b tem e ten a des j 4 Bei d spez i dard - der D rieo p ohn e nen b b aus t aufg e dert e phys l ationsgetrieb e Bidire k r ektionale B eim Mana g n den Mo d d elle erfolg e u lationsmo d u ngen übe r enthalten. t e in der Si w endung vo n Damit die s w irkung Ä n n. Tiefgrei f i esem Fall a e rungen no t m atische B e R egeln fes t a llen erlau b k tionsstrukt u S imulation s Datenbasis , e kt der unt e a nken. Die b nisse wer d e n nahesteh e a us detailli e eweiligen A Umse t d em betrac h i elle vom F - Förderko m D etailkonst r p timierung e die Notw e b earbeitet w t einorienti e e baut, prog r e chnik, Ro b ikalischer E e ne Systemm o k tionale A B eziehunge n g ement vo n d ellen siche r e n. Einerse i d ell korrigi e r notwendi g Eine geei g mulation ( v n Kompon e s e Vorgeh e n derungen i f ende struk t a uch die Z u t wendig, is t e nachrichti g t gelegt wer b ten Varia n u r können s plattform o , wie sie P D e rschiedlic h CAD-Mo d d en dabei i m e nden TD M e rten Mod e A rbeitsabla u t zung d e h teten Ges a F irmenpart n m ponenten e r uktion erg e oder regel u e ndigkeit ei n w erden mü s e rtes Mater i r ammiert u n b oter,…) a u E ffekte (Gr a o dellierung A ssoziati v n zwischen n Änderung e r zustellen m i ts treten Ä e rt werden. g e Änderun g nete Mod u v gl. param e e nten in [Li n e nsweise zi e i m Detail m t urelle Änd e u ordnunge n t eine Abs t g ung). Um den, in de n n ten) defin i k onkret en t o der in eine D M- oder P h en Sichten d elle, Kon s m zentrale n M -Systeme n llen benöti g u fes direkt a e r Metho d mtsystem h n er entwick e e xterner He r e ben sich F r u ngstechnis n es physisc s sen. Ein d i alfluss-Si m n d animier t u f das befö r a vitation, R e v ität zwi s Geometrie - en eine wi c m uss zu pa Ä nderunge n Anderers e g en, die i m u larisierung e trischer Bi b n11]) erm ö e lführend i m odell auf d erungen i m n angepasst t immung u n derartige Ä n en die Fr e i ert werde n t weder im e r dazwisch e P LM-Syste m auf die D a s truktionsd a n PLM-Bac k n [ES09] ab gt, können a us dem P L d ik am B h andelt es s i e lte Modul e r steller zus a ragestellun g che Stau-/ S c hen Protot y d azu verwe n m ulationswe r t werden k ö r derte Stüc k eibung, M a s chen de n - und Simu l c htige Roll ssenden Z e im Detail m e its können m Detailmo d und Para m b liotheksm e ö glicht eine n s t, muss k l d ie Modell e m Detailmo d werden m ü n ter den St a Ä nderunge n e iräume (z. B n . Die Ver k Autorensy s e ngeschalt e m e bieten) ten ist eine a ten sowie k bone in P D gelegt. We r die aktuel l L M-Backbo n B eispiel „ i ch um ein e e (z.B. Pak e a mmenges c g en wie D u S törungsbe s y ps der Anl n detes Soft w r kzeug, in ö nnen. Die E k gut könne n a ssenträghe i n Modell e l ationsmod e e . Um die e itpunkten e m odell auf Simulatio n d ell umges e m etrisierun g e chanismus n Ersatz du r ar zugeord n e lemente i n d ell sind ni c ü ssten. We r a keholdern er k ennen z B . „Maxi m k nüpfungen s tem (z.B. C e ten Anwe n implement i ureigene A Simulatio n D M- b zw. r den für di e l en Daten d n e generier t „ Paketfö e Paket-Sor t e t-Entlades y c haltet wer d u rchsatzerm s eitigung, d age mithil fe w aretool D dem Förde r E inflüsse v o n dabei un t i t,…) simul i Se i e n e ll spielen s Konsisten z e in Abglei c und müss e n sergebniss e e tzt werden g der Mod e s für die W i r ch neue V e n et sein, w n der Simu l c ht erlaubt, rden strukt u notwendig z u können, m alkonfigur a auf Basis C AD), inn e n dung (z.B. i ert werde n A ufgabe vo n n smodelle u den Autor e e Simulatio n d urch Aus fü t werden. rdersys t t ieranlage, i y stem) mit d en. In der P m ittlung, Ge o d ie bereits v fe von Sim u D emo3D® i r anlagen v i o n Aktoren t er Einbezi e i ert werden i te 299 s peziz zwic h der e n im e Anmüs- e llele- i eder- e rsiow elche l ation wenn u relle (z.B. müs- a tion“ einer e rhalb zentn . Der n Da- u nd - e nsysn Dafü hren t em i n der Stan- P hase o metv orab u latios t ein i rtuell (För- e hung . Seite Aus g Platt ein S nich t ursa c tom a Geo m der v eine r dells sier u (zu m mit i (z.B. b efö r und i sich t von Auf z funk t keit, … ange dere l ausg e ken. B ild Bei d b eit e schli zum Im e ele m er“ a 300 g ehend vo n form) [Sie 1 S imulations m t gegeben, w c ht. Der M o a tisierte A r m etrie basi e v orgestellte n r Funktions in Demo3 u ngselemen t m Zweck v o i n der Sim u . Außenhül l r derten Stü c i n der Sim u t igt werden. Demo3D® z üge) mit b t ionen) u n …), die vo r passt werd l emente), d i estattet we r 4: Simula Geneh m d en im kon k e ten Arbeit s i eßlich auf CAD-Syst e e rsten Vorf i m ente (z.B. H a usgeschlo s n einem det a 1 4-ol] wird m odell auf g w as aufwe n o dellaufba u r beitsabläu f e ren. Unte r n Methodi k struktur en t D® sind g r t e“ sind Ge o o n Plausibi l u lation mit l e des CA D c kgut (z.B. u lation dur c „Konfigur i sind vorg e b estimmten n d konfigu r r der Ver w en können. i e in der S i r den könne n tionsaufba u m igung von k reten Beis p s abläufen w CAD-Seit e e m diesbe z i lterungssc h H ilfsgeome t s sen werde n a illierten C im Simula g ebaut. Ei n n dige man u u sollte dah f e unterst ü r Berücksi c k eine Schni t wickelt un d r undsätzlic h o metrieele m l itätsprüfun g keinen zu s D -Modells). Pakete) ni c c h Zuordnu n i erbare Bib l e fertigte M o charakteri s r ierbaren P w endung in „Sensore n i mulation m n und dan n u einer Pa k Siemens A G p iel (in Ab s w ird die Fi l e durchgef ü z üglich nur h ritt könne n t rie, Normt e n , sofern d i C AD-Model l a tionswerkz e n e Integrati o u elle Arbeit e h er durch m ü tzt werde n c htigung et a i ttstellenarc h d umgeset z h vier Mo d m ente, die a g en, Ani m a s ätzlichen F „Deflekto r c ht durchdr u n g zum M o liotheksele m o dellbauste i s tischen Fu n P arametern der Simul a n “ sind Sta n m it speziell e n beispiels w k etfördera n G - Logisti c s timmung m l terung un d ü hrt, da di e sehr einge n nicht be n eile,…) du r i e Laye r -Z u Weingart e l in Sieme n e ug Demo 3 o n zwische n e n und ho h m öglichst e ff n und au f a blierter S c h itektur ba s t. Für den A d elltypen/K l a usschließli c a tionen,…) F unktionalit r en“ sind G u ngen we r d o delltyp „D e m ente“ aus i ne (z.B. F ö n ktionalitä t (Abmess u a tion den A n dar d -Geo m e r Funktio n w eise als Li c n lage in D e c s and Airp o m it allen be t d Anpassu n e Simulatio n schränkte F n ötigte Geo m r ch Ausble n u ordnung v e n, Hehenber g n s NX® ( C 3 D® Enter p n den Wer k en zeitlich e f ektive un d f der vor h c hnittstelle n s ierend auf F A ufbau des l assen not w c h zur visu e verwendet ä ten belegt G eometrieel e d en dürfen ( e flektor“ a l dem mitge l ö rderbände r t en (u.a. st e u ngen, För A nforderun g m etrieelem e n alität (Mo d c htstrahl ei n e mo3D® (m o rt Solutio n t eiligten St a n g der Geo m n sumgebu n F unktionali t m etrie- un d n den der be t orab geeig n g er, Boschert, C AD/CAM/ C p rise [Emu 1 k zeugen ist e n Aufwan d d weitgehe n h andenen C n wurde m i Funktione n Simulatio n w endig. „Vi e llen Darst e werden u n t werden m e mente, di e ( z.B. Leitb l l s solche b e l ieferten K a r , Rollenb a e uerbare F ö r dergeschw i g en entspre c e nte (z.B. Z d elltyp „Se n n es Sensor s (m it freund l n s) a keholdern ) m etriedate n n g im Geg e t äten berei t d Konstruk t t reffenden „ n et durchg e Rosen C AE- 1 4-ol] dafür d vern d a u- C AD- i thilfe n bzw. n s m osuali- e llung n d soü ssen e vom l eche) e rück- a talog a hnen, ö rder- i ndigc hend Z ylinn sor“) s wirl icher ) erarn aus- e nsatz t stellt. t ions- „ Lay- e führt Simulationsgetriebene Systemmodellierung Seite 301 wurde (Konstruktionsrichtlinien). Für die Visualisierungselemente ist im betrachteten Fall nur die Außengeometrie relevant. Um die relevanten Teile zu erfassen wurden mehrere Filter (z.B. Vorgabe von Mindestvolumen/-oberfläche zum Ausschluss sehr kleiner Teile) und spezielle CAD-Funktionalitäten (z.B. Außenhülle generieren) kombiniert. Das Ergebnis der Filterung wird durch ein Text-Attribut „Visualisierung“ gekennzeichnet und einer Sichtprüfung unterzogen. Korrekturen (z.B. Wiederhinzufügen relevanter kleiner Teile wie Griffe, Anzeigeinstrumente oder Entfernen nicht benötigter Teile,…) werden durch Anpassung der Filterkriterien oder durch manuelles Setzen des Attributs durchgeführt. Für Deflektoren ergibt sich eine ähnliche Vorgehensweise wie für die Filterung der Visualisierungselemente. Das CAD-System bietet hierzu hilfreiche Auswahlmethoden für außenliegende Flächenelemente, bei denen alle aus definierten Ansichten (sowie aus einer Blickrichtung ausgehend von einem Punkt) sichtbaren/zugewandten Flächen automatisch markiert werden. Damit lassen sich Leitelemente (z.B. Leitbleche) durch eine geeignete Wahl von Perspektiven oder Ursprungspunkten entlang des Materialflusses rechnergestützt selektieren. Förderbändern werden gewöhnlich spezielle Materialien zugewiesen (z.B. Gummi/Textil) was eine einfache Filterung aufgrund dieses Merkmals ermöglicht. Sensoren sind auf einem eindeutigen Layer abgelegt, was die Filterung ebenfalls erleichtert. Nach Ausführung der beschriebenen Arbeitsabläufe für die Filterung stehen im CAD-System vier (teilweise überschneidende) Gruppierungen von Geometrieelementen für den Export zur Verfügung. Die Übertragung der Geometrie der Visualisierungselemente erfolgt im speziell für 3D-Darstellung geeigneten Dateiformat VRML. Für die Deflektoren-Geometrie wird STEP gewählt, da sowohl die übertragene Teilebezeichnung als auch Baugruppenstruktur in der Simulation weiterverwendet werden kann. Zur Übertragung der Hauptparameter von Förderbändern und Sensoren werden aus dem CAD ausschließlich Punktkoordinaten als Textdatei exportiert. Förderbänder werden durch drei Koordinaten (Anfangs- und Endpunkt sowie Anfangspunkt/seitlich), Sensoren durch Anfangs- und Endpunkt in ihrer Geometrie spezifiziert. Im Simulationswerkzeug werden diese Geometriedaten der Visualisierungselemente und Deflektoren importiert, durch eine Koordinatentransformation geeignet ausgerichtet und den jeweiligen Modelltypen zugeordnet. Konfigurierbare Bibliothekselemente (Förderer) und Sensoren werden mithilfe eines Skripts gemäß den übertragenen Koordinaten (Hauptparameter) geeignet parametrisiert und in das Simulationsmodell eingebaut. Die verwendeten Arbeitsabläufe können in den Autorensystemen durch „API“ bzw. „Scripting“ zu einem hohen Grad automatisiert (programmiert) werden und stehen für zukünftige ähnliche Aufgabenstellungen zur Verfügung. Bei der Umsetzung am Beispiel wurden neben einer Zeitersparnis beim Aufbau der Simulationsmodelle auch eine Erhöhung der Qualität des Modells hinsichtlich Detailtreue und Leistungsfähigkeit erreicht. Die konsequente Umsetzung der Schnittstelle zwischen CAD und Simulationswerkzeug mithilfe unterschiedlicher Arbeitsabläufe für die Modelltypen/- klassen bietet Möglichkeiten für den Umgang mit Änderungen, indem beispielsweise „Konfigurierbare Bibliothekselemente“ durch überarbeitete Parametersätze aktualisiert Seite wer d terte n 5 Der v fe z u Im P grun d lich k b eits wer d kabl e gene zur V PL M gra m Anl a den, Arb e liefe r Dan Dies e Die K nanz sche n alle n LC M Lit e [Am f0 [AB1 4 [ABS [AIK + 302 d en können . n Herausfo r Resü m v orgestellt e u einer bes s P LM-Geda n dlegend v e k eiten zur I abläufe in d en konnte, e n Lösung e rische Te m V erfügung M -Systemen m mierungen a genbau au c systematis c e itsweisen a r n. ksagung e Arbeit w u K 2 Projekt z iert. Die C n Bundesre n wissensch M GmbH si n e ratur f0 2] A MF T Diss e 4] A ND E nage m 93] A RA B gine e + 08] A RN O b uch . Anschließ e r derungen i m m ee und e Ansatz ze i s eren Kop p n ken (sieh e e rankert. N a I ntegration PLM-Syst e besteht of f e n. Die He m plates für t stellen. E r ebenfalls implemen t c h bezüglic h c h erfüllen a nalysieren u u rde im R a e werden a C OMET K2 gierung, d e aftlichen P a n d. T , M.: Phase n e rtation, Fak u E RL , R.; B IN D m ent. Mit za h B SHAHI , S.; B e ring with Co m O LD , D.; I SER M Logistik. 3., n e nde Forsc h m Fall tief g Ausblic k i gt Möglic h p lung zwis c auch [ES 0 a chdem vi e b ieten und e men in de r f enbar Bed a r steller de r t ypische A r r fahrungsge nur durch t ierbar. U m h Flexibilit ä zu könne n u nd Mögli c a hmen eine s a us Mitteln Projekte i m m Land O b a rtnern, die n übergreifend e ltät für Masc h D E , P.: Simula t h lreichen Beis p A RTON , D. C. m puters, 9. J g M ANN , H.; K U n eu bearbeite t h ungsarbei t g reifender s t k h keiten, wi e c hen Entwi 0 9]) sind v e le Softwa r eine fläch e r industriel l a rf an einfa c r Softwaret o r beitsabläu f e mäß sin d d aufwendi g m die hohe n ä t der Integ r n , müssen z c hkeiten zu r s K2 Proje k des österr e m LCM w b erösterreic h Teil des K e bidirektiona l h inenwesen, T t ionen mit N X s pielen für N X ; S HAW , N. K g ., Nr. 1, S. 1 7 U HN , A.; T EM P t e Auflage, S p Weingart e t en behand e t ruktureller e systematis cklungswe r v iele der p r ewerkzeug e e ndeckend e l en Praxis n c h anwend b o ols sollte n f e zur Integ r d erartige A g e Anpassu n n Ansprüc h r ationen v o z ukünftige F r Umsetzu n k tes in der e ichischen C erden unte r h , der Joha n K 2-COMET l e Integration T echnische U n X . Kinematik, X 9. Carl Han s K .: Steps Tow a 7 -26, 1993 P ELMEIER , H. ; p ringe r -Verla g e n, Hehenber g e ln die im K Änderung e ch erarbeit e r kzeugen b e r äsentierten e nur eing e e Umsetzu n n ur in Ans ä b aren Meth o n den Anw r ation meh r A rbeitsablä u n gen und z h e, die im n Werkzeu g F orschung e g in moder n LCM Gm b C OMET-K 2 r stützt von n nes Keple r Konsortiu m von Gestaltu n n iversität Mü n FEM, CFD, E s er Verlag, M ü a rds CAD-FE A ; F URMANS , K g , Berlin Hei d g er, Boschert, K apitel 3.2 e e n. e te Arbeits a e itragen k ö n Schritte b e schränkte n g derartig e ä tzen beob a o den und p w endern ve r r erer Werk z u fe in mo d zusätzliche Maschine n - gen gestell t e n die kon k n en Werkz e b H durchg e 2 Program m der Österr e r Universit ä m s innerha l n g und Berec h n chen, 2002 E M und Date n ü nchen, 2014 A Integration . K . (Hrsg.): Ha n d elberg, 2008 Rosen e rl ä u- a bl ä unnen. b ereits Mög- e r Ar- a chtet p raktistärkt z euge ernen P r o- - und t werk reten e ugen führt. m s fi- e ichiä t und l b der h nung. nm a- . Enn d- Onli n Bild 3 Bei Gru n Lös u num e plex e Die M Zus a gesc h 3.1 Eule r Ver n Gra n gen a [Ko r ent w nich t Abs t hier dust r setzt Um t ger B seru n n e-Simulation 2: Histor i [Nvi14 Heuti g fluiddyna m n dlage für d u ngen bzw. e rische Lö s e r Simulati M ethoden z a mmenhan g h e-Method e Eulers c r sche-Met h n etzung de s n ularität un d a uigkeit, z u r 09]. Um d e w ickelt. Die t , daher ist t raktionsgr a die Berec h r ie hauptsä c [Dav02]. t rotzdem d e B erechnun g n g der RA N 100 200 300 400 500 600 [GFlo p fluiddynamis i sche Ent w -ol]) g e Meth o m ischen Pr d ie Simulat i Näherung e s ungsmögli c onsdomän e z ur Lösung g grundsätzl e n untersch e c he-Met h h oden basi e s gesamten d Qualität d u m andere n e n Grad d e Direkte N eine sehr f e a d besitzen h nungszeite n c hlich die R e n Anforde g szeit gerec h N S-Metho d 0 0 0 0 0 0 0 2001 2002 2003 p s] c her Prozess e w icklung d o den zur o blemstell u i onsmethod e e n nur in A c hkeiten e n e n die Pro b der numer ich in die z w e iden. h oden ren auf ei n Raumes. D d er Diskreti n ist es ei n e r Diskretis N umerische e ingranular e die Metho d n für die i n R eynolds- A rungen vo n h t zu werde d e entwick e 2003 2004 2005 2006 e in der Konz e d er Reche n Simulat i u ngen bild e en. Auf Gr u A usnahmef ä n twickelt, w b lemstellun g r ischen Str ö wei Bezug s n er Diskre t D iese stelle i sierung en t n e bestim m s ierung zu r Simulatio n e Vernetzu n d en der La g n dustrielle N A verage d -N n hoher Ge n e n, wurden u e lt. Beispie l 2006 2007 2008 2009 e ptionsphase n kapazität i on von F e t die Na v u nd ihrer K ä llen mögli w elche durc g en verein f ö mungsmec h s räume der t isierung d e n die Gre n t scheidet z u m ende Grö ß r eduzieren n (DNS) a b n g notwen d g re Eddy S N utzung z u avie r -Stok e n auigkeit, h u nterschied l l sweise kö n 2010 2011 2012 [Jahr] (Bild in F luiden v ie r -Stokes K omplexität c h. Daher w h die Disk r f achen und h anik lasse n E ulersche- e r Fluiddo m n zen für da s u m einen ü b ß e für die w urden m e b strahiert d d ig [GRF10 ] imulation [ hoch sind , e s (RANS) h oher Flexi b l iche Verfa h n nen lokal e 2013 Se i Anlehnun g Gleichun g sind analy t wurden m e r etisierung lösbar m a n sich in d i und den L a m äne durc h s Fluid da r b er die Erg e Berechnun g e hrere Met h d ie Fluidd o ] . Einen hö [ SD09]. Da , wird in d e Methode e b ilität und g h ren zur V e e Fehler de GPU CPU i te 309 g an g die t ische e hrere kom- a chen. i esem a granh eine r . Die e bnisg szeit h oden o mäne h eren auch e r In- e ingeg erin- e rbesr Be- Seite rech n wer d Zus a sion wird Ko m schr i [KS R Zud e Flex i tion s Gru n [HH 0 ten v 3.2 Im G män e tritts o rigk e Netz Dar ü mun g Zur L der s Hyd r Ein g schr i nen P den [CD B 4 Die V dun g sier u perg e kein e 310 n ungsverfa h d en [Chu02 ] a mmenfass e entwickelt durch me h m plexität in i ttweite au f R 14] e m ist auf G i bilität star k s vorbereitu n n d ungelös t 0 4], da trot z v on Turbul e Lagra n G egensatz z e nicht als ort du r ch P e iten umga n z generierun g ü ber hinaus g en ohne P r L ösung vo n s tark fortge s r odynamic s g roßer Vor t i tttoleranz [ P artikel in e können, is t B +11] Onlin e V orteile d e g und Simu l u ng der Flu i e ometrien u e r neuen V e h ren durch ] . e nd sind E u worden. E h rere inhär der Paral l f Grund de r G rund der N k eingeschr ä n g nochma l t er Proble m z einer lan g e nzen noch i n gesche- M z u Eulersch e Ganzes di s P artikel rep r n gen werde n g sowie d a können s i r obleme m o n fluidische n s chrittenen s (SPH) Me t t eil der SP H ZSL+12], [ e inem Zeit s t zudem ei e -Simula t e r Lagrang e l ationsdurc h i ddomäne k u nd dem F l e rnetzung d adaptive N u lersche-M e ine starke B ente Eigen s elisierbark e Notwendi g N otwendigk e ä nkt. Bei Ä n l s gänzlich m e weiterh i g en Forsch u i mmer gro ß M ethode n e -Methode n s kretisiert, s r äsentiert. D n . Beispiel s a s adaptive i ch beweg e o delliert we r n Problems t Forschung t hode für d e H -Methode [ SR09], [ K s chritt weit e ne hoher P t ion von e sche-Meth o h führung g e k önnen die d l uid gelöst. e r gesamte n N etzverfein e e thoden jed o B eschleuni g schaften b e e it zu nen n g keit einer e it der Ver n n derungen durchgefü h i n ein Exp e u ngshistori e ß e Problem e n n werden i n s tattdessen D adurch kö s weise sind Regenerie r e nde Rand b r den. [Liu1 t ellungen g i eignet sic h e n industri e ist eine g u K SR14]. A u e stgehend u P arallelisie r Fluiden o den könn e e nutzt wer d direkten In t . Dadurch b n Fluiddom e rungen an o ch mit de m g ung der B e schränkt. S n en, zum a hohen Sta b n etzung de r des Eingan g h rt werden . e rte die R e e beispiels w e aufgibt [ W n Lagrange s werden di e nnen die m eine zeit- u r en der N e b edingunge n 0], [NRB+ 0 i bt es zahlr e h beispiels w llen Einsat z u te Skalier b u f Grund d e n abhängig v ru ngsgrad d in der K e n hin zu e d en. Statt ei n t erdepende n b edingt ei n äne. kritischen m Fokus ei n erechnung s S o ist zum n deren unt b ilität stark e r gesamten F g smodells m . Darüber h e sultate be w w eise das c h W KA+13]. s che-Metho d e Fluide nu r m ethodenin h u nd berech n tzqualität n n wie bei M 0 8]. e iche Meth o w eise die S m z . [LL03], [ M b arkeit und r Tatsache, v oneinand e d er Berech n K onzepti o iner schnel n er ganzhe i n zen zwisc h e Änderun g Krotil, R e Stellen red u n er hohen P s geschwind i m einen die t erliegt die e n Restrikt i F luiddomä n m uss die Si m h inaus mu s w erten [D a h aotische V e den die Fl u u r an ihrem h ärenten Sc h n ungsaufw ä n icht notw e M ehrphase n o den. Auf G m oothed P a Mon05] eine große , dass die e i e r berechne t n ungen mö o nspha s l leren Mod e i tlichen Di s h en den Fe s g der Geo m e inhar t u ziert P räzi- i gkeit hohe Zeit- i onen. n e die m ulas s auf a v02], e rhal- u id d o- Auf- h wien dige e ndig. n st r ö- G rund a rticle Zeit- i nzelt werg lich. s e e llbils kretis tkörm etrie Onli n Dur c dell e verb e sche n deru n latio n de M Sim u wen d ziert . Bild 4.1 Um d restr u A A A A A n e-Simulation c h diese U m e n kann die e ssert wer d n Konzepti o n gen direk t n slauf wird M odell wir d u lationen d i d er online z . 3: Online - Anfor d d iese Meth o u ktur, welc h A nforderun g A nforderun g A nforderun g A nforderun g A nforderun g Si m erg Er k fluiddynamis m stellung d e Untersuch d en. Wie in o n und Si m t in der Si m jedoch nic h d angepasst. i e Auswirk u z u visualisi e - Simulatio n d erungen o de zu erm ö h e folgend e g 1: Um d onsp h abhä n g 2: Die S Erge b tion nun g Bedi n g 3: Die S geo m liche g 4: Mod e g 5: Erge b wen d m ulationsebnisse k enntnisse Ergebnisdarstellung Ergebnisdarstellun g Ergebni s darstellu n c her Prozess e e r Simulati o u ng unters c Bild 3 da r m ulation pa r m ulationsu m h t verände r Darüber h u ngen der K e ren. Die P r n sprozess in für die R ö glichen, b e e Anforder u d er industr i h ase gerec h n gig von s p S imulation b nisse in E c notwendig, g szeit mit m n gungen z u S imulation s m etrien, soll Simulatio n e lle sollen o b nisse soll e d er bereitst e K Simulati o g s - n g e in der Konz e o n hin zu ei n c hiedlicher r gestellt ist, r allelisiert w m gebung an g r t oder neu g h inaus kön n K onzeptän d r ozessschrit t n der Konze p R ealisier u e darf es ein u ngen erfüll t i ellen Dive r h t zu werd e p ezifischen W von Fluid e c htzeit zur ü , eine mög l m öglichst h u gewährlei s s vorbereitu n l einen mö g n sdurchfüh r o nline in d e e n während e hen und vi s K onzeption o nsdurchfü h e ptionsphase n er dynami Alternativ e kann som i w erden. Di e g epasst we r g estartet, l e n en auf der erungen u n t e werden i n p tionsphas e u ng er spezifis c t . r sität an W e e n, muss di e W erkzeuge e n ist sehr b ü ckzugeben , l ichst schn e h oher Zeits c s ten. n g, d. h. di e g lichst geri n r ung haben. r Simulatio der laufen d s ualisiert w S v o h rung s cheren Er s e n in der K i t der iterat i e s bedeutet d r den. Der e i e diglich das Basis eine r n d -modifik a n Kapitel 4 . e hen Anpas s e rkzeugen i e Simulatio n n sein. b erechnung s , ist es dahe e lle und e f c hritttolera n e Aufbereit u n gen Einflu s n geändert w d en Simula t e rden. imulations- o rbereitung CAD-Da t Fluiddo m Se i s tellung vo n K onzeptions p i ve Prozes s dass Konz e igentliche S zu unters u r echtzeitf ä a tionen de m .3 weiter s p s ung der S o i n der Kon z n sumgebu n saufwändi g e r für die Si m f fiziente B e n z unter st a t ung der M o s s auf die e i werden kö n a tion für de n t en m äne i te 311 n Mop hase s zwi- e ptän- S imuchen- higen m Anp ezifi- o ftwaz eptin g ung . Um m ula- e rech- a bilen o dell- i gentn nen. n An- Seite 4.2 4.2. 1 Zur E che n rung plett mod e die B in d e dahe der G 4.2. 2 Ver g 4) m Met h ranz ome t ome t hina u mög l Tab e Si m Si m Erg e 4.2. 3 Die S tion. wer d sche i Der E rung 312 Syste m Anf o 1 E rfüllung d n Ressource n 2 zu erfüll auf die G P e rnen Rec h B erechnung e r Simulati o r rein auf d G PU oder C Sim 2 g leicht man m it den mö g h oden aus d [KSR14]. D t rien währe t rien werd e u s ist in Be l ich. e l l e 1: Auft e Methoden s m ulationsvo r m ulationsdu r e bnisdarste l Sim 3 S imulation s Prinzipiel l d en, welche i den. E rste ist ei n slokalität w m technis c o rderung s d er Anford e n GPU un d en, wird di e P U ausgel a h nern die h ö en von azy k o nsvorbere i d er CPU. D i C PU berech n ulationsd die für die g lichen M e d en Gründ e D arüber hi n nd der Si m e n stattdess e reichen, in e ilung der B s chritt r bereitung r chführung l lung ulationsv o s vorbereitu n l kann in d sich haupt s n e Quelle, i n w ird dabei d c he Bes c s spezifisc e rungen m ü d CPU aufg e e eigentlic h a gert. Dies ö chste Rec h k lischen Ei i tung nicht i e Ergebnis d n et. u rchführ u Simulatio n e thoden de r e n höherer P n aus entfäll t m ulationsla u e n als sich denen kei n B erechnun g zyklis c X X o rbereitu n n g dient de r d rei unters c s ächlich d u n welcher n d urch die O c hreibun g c he Auftei l ü ssen die M e teilt werd e h e Berechn u hat mehre r h enkapazitä t i nflussfakto beeinfluss t d arstellung u ng n sdurchführ u r Fluidsim u P arallelisie r t die Notw e u fzeit ange p ändernde R n e Fluidpar t g saufgaben Auftreten c h az y n g r Aufbereit u c hiedliche u rch deren D n eue Fluidp a O berfläche e g der Pro z l ung der H M ethodensc h e n (siehe. T u ng der Si m r e Gründe: t (vgl. Kap i ren wie de m t . Die Sim u wird je na c u ng betref fe u lation, so r barkeit so w e ndigkeit d e p asst werde n R andbedin g ikel sind, d auf Hardw a y klisch X u ng der Ei n Simulation s D efinition d a rtikel gen e e iner 2-di m z essschr H ardware r h ritte auf d T abelle 1). U m ulationsdu r Zum eine n tel 2), zum m Import n e u lationsvor b c h Auswert u fe nden Anf o eignen sic h w ie größere e r Vernetzu n n können. M g ungen mo d d ie Änderu n a reressour c Hardw a CPU X X n gangsdate n s bestandtei l d er Randbe d e riert werde n m ensionalen Krotil, R e r itte r essource d ie untersc h U m die An f r chführung n besitzt di e m anderen w e uer Geom e b ereitung e u ngsanfrag e o rderungen h Lagrang e e r Zeitschri t n g, wodurc h M odifiziert e d elliert. D a n g der Geo m c en a reressourc e GP U X X n für die Si m l e untersc h d ingungen u e n. Die Inst a Geometrie e inhar t n h iedlif or d ekom- e se in erden e trien r folgt e n auf (2, 3, e schet ttoleh Ge- e Ge- a rübe r m etrie e U m ulah ieden u nter- a nziedefi- Onli n niert Dic h Dar ü Flui d gebl i defi n parti z Als l zu n einz e zuge sche n wer d Sim u Die A Änd e Nac h gehe Auf dom ä 4.2. 4 Um Zwi s Proz e wird b ere c Aus w durc h 5 Eine Mög Geo m mul a und Ums zeig t Kon z n e-Simulation . Darüber h h te u. a. ü ber hi n aus d partikeln g i ch von der n iert werde n z ipanten g e l etzte Mögl i ennen. Die e lnen Drei e wiesen. W e n der vorh a d en auf die s u lationsum g A ufbereitu n e rungen w e h dem dies g n wird der Modellier u ä ne einen E Erg e 4 die Vortei l s chenergeb n essschritt w eine parti k c hnet und w ertungen w h geführt. Softw a softwarete c g lichkeiten b m etrien, ec h a tionspara m geometrie s etzung der t das Simu l z eptionstoo fluiddynamis h inaus bei n werden n a g enutzt. Di e Partikelan z n . Das Flui e löscht. i chkeit sin d se werden e cken werd e e rden die G a ndenen un d s er Basis n g ebung gel ö n g dieser G e rden dabe i g eschehen i Simulatio n u ngsebene h E influss auf e bnisdar s l e der Onli n isse der S i w erden fall s k elspezifisc h auf der gr w ie beispi e a retech n c hnische U m b ereitstelle n h tzeitnah i n m eter wie Q u s pezifische Online-K o l ationsmod e ls werden i c her Prozess e n haltet die Q a ch einem e se sind ess z ahl abhän g d wird dab d die aus de m in eine tes s e n die vo m G eometrien d der neue n n ur die jew e ö scht bzw. n G eometrien i auf eine st, werden n szyklus de r h aben somi t die Berech n tellung n e-Simulat i i mulation d s pezifisch s h e Darstell u a phischen A e lsweise M n ische U m m setzung e i n . Zum ein e n die Simul a u ellen und Haftbedin g o nzeption w e ll zur Onli n i n allen Ph a e in der Konz e Q uelle flui d ähnlichen P s entiell, da d g t. Diese k ö ei bei Kon t m Konzept i selierte Ob m Anwende r online mo d n Geometri e ils notwe n n eu hinzug e sowie die B Kopie der diese auf d r eigentlic h t nur noch d n ungsgesc h i on dem A d em Nutzer s owohl die u ng direkt v Ausgabe g M inima- un d m setzu n iner Onlin e e n müssen a tion impo r Senken, Fl u g ungen vor a w urde ein m ne-Simulat i a sen perma n e ptionsphase d spezifisch e P rinzip Se n d ie Berech n ö nnen über t akt mit di e i onswerkze u erflächeng e r definierte n d ifiziert, so e analysier t n digen Obe r e fügt. B erechnun g Simulatio n ie GPU üb e h en Simulat i d ie Größe u h windigkeit . A nwender z u direkt auf b GPU als a v on der GP U erendert. I m d Maxima b n g -Simulatio n die Konze p r tiert werd e u idspezifik a a b oder o n m odulweis e i on währen n ent Mode l e Paramete r n ken zur E n ungsgesch w 3 -dimensio n e sen virtuel l u g stamme n e ometrie tr a n Oberfläc h wird der U t . Aus Per fo r flächenge o g erfolgt a u n s d atenstru k e rtragen. D u i on nicht d i u nd Kompl . u ermöglic h b ereitet we r a uch die C P U (oder ein e m Gegens a b erechnung e n von Fluid e p te, d. h. b e n, zum an d a wie Dich t n line defini e r Aufbau d der Kon z l le extrahie r Se i r wie Visk o E liminierun g h windigkeit nale Geom e l len Simula t n den Geom e a nsformiert . h eneigensc h U nterschie d f ormancegr ü o metrien a u u f der CPU . k tur einge p u rch dieses i rekt beein f l exität der F h en, müss e r den. Für d P U utilisie r e r zweiten G a tz dazu w e n auf der e n muss m e e ispielswei s d eren müss e t e und Vis k i ert werde n gewählt. B z eption. A u rt und in e i i te 313 o sität, g von maß- e trien t ions- e trien . Den h aften d zwiü nden u s der . Alle p flegt. Vorf lusst. F luid- e n die d iesen r t. So G PU) erden CPU e hrere s e die e n Sik osität n . Zur B ild 4 u s den i n Si- Seite mul a ram e nent e vorb e durc h Bild 6 Die b zess Sim u sowi Kon z zept i für d Wür f tung wen d den i Flui d 314 a tionsmode l e ter erfolge n e Ergebni s ereitung, - d h geführt. 4: Protot y Prozes s Beisp i b eschriebe n bei der u lationsmet h e hohen P z epte wurd e i onsprozess d as Simula t f el konstru i aufbereite t d ig. In Sch r individuell d an die ne u l l konvertie n eine dau e s visualisier u d urchführu n y pische S o s en i elhafte U n e Method e Entwicklu n h ode wurd e arallelisier b e SolidWor k es beim E n t ionsprogr a i ert (2). Di e t und direk t r itt 4 und 6 sofort in d u en Geome t Mo d Ko n Ko n rt. Auf Ba s e rhafte Sim u u ng auf e i n g und Au s o ftwarestru k U msetzu e wurde in n g eines A e die SPH - b arkeit [N K k s genutzt. n twurf eine s m m gewä h e ser wird d t in die Si m 6 erfolgen w d ie Simulat i r ien online S i U d ellextraktio n n zeptionsto o Si m Simul a n zeptionstoo l s is der vo m u lation des i ner graph i s gabe der E k tur zur u ng einem pro d A bfüllvorg a - Methode a K 12] gewä h Bild 5 zei g s Sammelb e h lt. Als Ba s d urch den P m ulation ei n w eitere Ko n i on import i anpasst (5, 7 i mulationsk e U ser Interfa c n o l m ulationsmo a tionskonfig u Gr a E l m Nutzer k o aktuellen M i schen Ob e E rgebnisse w Online-Si m d uktionste c a nges umg e a uf Grund h lt. Zur Er s g t einen bei s e ckens. In S s is für das P rozessschr i n gefügt (3). n struktions s i ert, worau f 7 ). e rn c e dell u ration a phische O b rgebnispräs e nfigurierte n M odelles s o e rfläche. D w erden im m ulation v hnischen E e setzt. Al s i hrer breit e s tellung de s pielhaften A S chritt 1 w u Sammelb e i tt der Sim u Ein Neust chritte. Di e f hin sich d a b erfläche e ntation Krotil, R e n Simulati o o wie eine p e D ie Simula t Simulatio n v on fluidi s E ntwicklun g s Lagrang e e n Verfügb a e r geometri Ablauf des u rde eine Q e cken wur d u lationsvor b t art ist nich t e Änderun g a s Verhalte e inhar t o nspa- e r m at ionsn skern s chen g sp r o- e sche- a rkeit s chen Kon- Q uelle d e ein b ereit notg wern des Onli n Bild 6.1 Die d itera t    n e-Simulation 5: Umset z Nutze n d argestellt e t iven Abla u Ein Si m direkte O laufes k ö se gew o lung me i Die Da u direkt a u gewonn e nicht au f das Gru n Konzep t lation: D an der G Somit is eine Op t lidiert w fluiddynamis z ungsbeispi e n der Onl i e Methode b u f: m ulationsd u O nline-Dar s ö nnen auch o nnen wer d i st auf das E u er eines K u s der Eig e e n werden k f weitere S n dmodell n a t änderun ge D ie Simul a G eometrie k t im Gege n t ion. Darüb e w erden. c her Prozess e e l fü r die O i ne-Simu l b ietet vor a l u rchlauf m u s tellung de r nach eine m en. Bisher i E nde der Si m K onzeptio n e nschaft, d a k önnen. W i imulations r a ch den E r k e n haben s o t ion läuft p k önnen dir e n satz zur bi s e r hinaus k ö e in der Konz e O nline-Simu l lation l lem folge n u ss nicht g r Simulatio n m Bruchteil i ge Werkz e m ulationsd u n sz y klus r e ass währe n i rd ein fehl e r esultate ge w k enntnissen oforti g e u n p arallel zu m e kt in die s herigen M e ö nnen klei n e ptionsphase l ation in de r n de Vorteil e änzlich be r n sergebniss e der Simula t e uge besch r u rchführun g e duziert si c n d des Sim u e rhaftes Ve r w artet wer d angepasst w n d direkte A m Konzepti laufende S i e thode ein N n e Anpassu n r Konzepti o e gegenübe r r echnet we e während d t ionsdauer e r änken die g . c h: Dieser V u lationslau f r halten fest g d en, stattde w erden. A uswirku n onsprogra m i mulation g N eustart de n gen auf ei n Se i o nsphase r dem bish e e rden: Dur c des Simula t e rste Erken n Ergebnisd a V orteil res u f es Erkenn t t gestellt, so ssen kann s ng auf die S m m. Änder u g egeben w e e r Simulati o n fache Wei s i te 315 e rigen c h die t ionsn tnis- a rstel- u ltiert t nisse muss s ofort S imu- u ngen e rden. o n nur s e va- Seite 7 Es w Flui d dert, Bish e sch w dies e tung Co m sim u Dan Die A Ver k Lit e [AR1 [Chu 0 [CD B [Dav 0 [Döb 0 [EK L [ERZ [GRF [Hed 1 [HH0 [Kor 0 [KS R 316 Resü m w urde eine M d en möglic h wodurch e i er stellen s o w indigkeit s e m Grund w erforscht. D m puterhard w u lationsmet h ksagung A utoren d a k ehr und Te e ratur 1] A BE L 0 2] C HU N B +11] C RE S GP U hydr o 0 2] D AV I Brid e 0 8] D ÖB L den- W L 03] E HR L ren. S 14] E IG N Spri n F 10] G EO R ties, R 178 4 1 3] H ED T 0 4] H ÖL L mer z 150- 0 9] K OR T Esp o R 14] K RO T mul a siu m m ee und M ethode be s h ist. Darü b i ne sofortig o wohl die L tellt für di e w erden wei t D en Engpa s w a r e reduzi e h odenspezi f a nken dem chnologie s L E E.; R EINH A N G T. J.: Co m S PO , A. C.; D O U s, a new tool o dynamics m e I DSON D. L.: T e Vol. 32 No. L ER T.: Simul W ürttemberg, L ENSPIEL K.; K S pringer, Ber l N ER M.; R OUB A n ger, Berlin, 2 R GIADIS N. J.; R ecommend e 4 , 2010 T STÜCK U.: S i L ING M.; H ER W z iellen Softwa r 154, 2004 T ELAINEN J.: M o o, Finland, 2 0 T IL S.; S TICH P a tion in der fr ü m Simulationst e Ausblic k s chrieben, m b er hinaus k e Auswert u L atenz der e Methode e t ere Mögli c s s der Bere c e rt, jedoch f ische Mod e B ayerische n s owie dem F A RT G.: Zuku n mp utational Fl u O MINGUEZ , J. M o f acceleratio e thods. 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VTT , k eiten der Fl u 2014: 22. Sy m e inhar t n von geänn gsger . Aus b erei- e ssere h eine u ktur, k tes. 2 002 D.: i cle T he g Bar uieg . a bili- 1 772- kom- , S. , u idsim po- Online-Simulation fluiddynamischer Prozesse in der Konzeptionsphase Seite 317 [Lec14] LECHELER S.: Numerische Strömungsberechnung. Springer, Deutschland, 2014 [LCC+10] LEE, V. W.; CHANGKYU K.; CHHUGANI J.; DEISHER M.; DAEHYUN K.; NGUYEN A. D.; SMELYANSKIY M.; CHENNUPATY S.; HAMMARLUND P.; SINGHAL R.; DUBEY P.: Debunking the 100X GPU vs. CPU myth: an evaluation of throughput computing on CPU and GPU. ACM SIGARCH Computer Architecture News, Vol. 38. No. 3, ACM, 2010 [LL03] LIU G. R.; LIU M. B.: Smoothed Particle Hydrodynamics – a meshfree particle method. World Scientific Publishing, Singapur, 2003 [Liu10] LIU G. R.: Meshless Methods. CRC press, USA, 2010 [Mon05] Monaghan J. J.: Smoothed particle hydrodynamics. Reports on progress in physics 68.8, S. 1703-1759, 2005 [NRB+08] NGUYEN V. 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Nach mehreren leitenden Tätigkeiten in der Industrie wurde Prof. Reinhart 1993 auf den Lehrstuhl für Betriebswissenschaften und Montagetechnik an der Technischen Universität München und in die Leitung des iwb berufen. Gleichzeitig ist er Vorstandsvorsitzender des Bayerischen Clusters für Mechatronik und Automation e.V. Seit dem 1. Januar 2009 ist Prof. Reinhart darüber hinaus Leiter der Seite 318 Krotil, Reinhart Fraunhofer IWU Projektgruppe für Ressourceneffiziente Mechatronische Verarbeitungsmaschinen (RMV) in Augsburg. [Document text truncated for crawler view.]