Zugl.: Trier, Univ., Diss., 2007

Zugl.: Hannover, Univ., Diss.

Zugl.: Mannheim, Universiẗat, Diss., 2009.

Bachelor-Arbeit Univ. St. Gallen, 2005.

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Auf der Basis eines modellbasierten Entwurfs mit MATLAB/Simulink® wird der Entwurf für einen Mischprozess einer Mischstation vorgenommen. Durch den Einsatz der Toolbox PLC Coder™ von Mathworks® kann dieser Entwurf ohne jegliche Änderungen für aktuell 12 Automatisierungssysteme verschiedener Hersteller verwendet werden, so dass dies als ein zielsystemunabhängiger Entwurf angesehen werden kann. Der Vorteil besteht darin, dass nicht wie bisher ein klassischer Entwurf des Systems entsprechend IEC 61131 Teil 3 mit einer entsprechenden hersteller- bzw. systemspezifischen Entwicklungsumgebung durchgeführt wird, sondern ein hersteller- und systemunabhängiger Entwurf mit den zur Verfügung stehenden Werkzeugen von Simulink vorgenommen werden kann. Mit der verwendeten Toolbox PLC Coder™ für MATLAB/ Simulink® wird strukturierter Text nach IEC 61131 Teil 3 für das jeweilige Automatisierungssystem automatisch generiert. Im vorliegenden Fall wird als Automatisierungssystem eine SIMATIC ET 200SP Open Controller mit entsprechenden Erweiterungsmodulen (digitale und analoge Ein- und Ausgänge usw.) und das TIA Portal in der Version 15.1 der Fa. Siemens eingesetzt. / Für den Mischprozess, eine Mischstation, werden Flüssigkeiten aus drei verschiedenen Behältern in verschiedenen vorgegebenen Mischverhältnissen und Mengen dosiert und in einen Mischbehälter ge-leitet. Hierfür wird der modellbasierte Entwurf primär mittels endlicher Zustandsautomaten mit einer unterlagerten Durchflussmengenregelung in insgesamt neun Subsystemen vorgenommen. Um eine möglichst hohe Genauigkeit des Mischproduktes zu erzielen, wird hierbei die Dosierung der verschie-denen Flüssigkeiten volumengesteuert vorgenommen. Für den vollständigen modellbasierten Entwurf der Automatisierung der Mischstation, dessen Visua-lisierung sowie der Modellierung des HMI mittels Apps des App Designers von MATLAB/ Simulink® wird ein vollständiger Model in the Loop (MIL)-Test in Realzeit zur Verifikation des Gesamtsystems durchgeführt, der hier den Schwerpunkt darstellt. Durch den auf einem deutlich höheren Abstraktionsniveau durchgeführten modellbasierten Entwurf und den MIL-Test werden die Implementierungs- und Inbetriebnahmephase minimal. Abschließend werden die wesentlichen Vorteile des modellbasierten Entwurfs behandelt und ein Aus-blick gegeben.

Die vorliegende Arbeit formuliert Empfehlungen für die strukturelle wie funktionale Gliederung, die Architektur, die Ausstattung und die Gestaltung von Geburtsräumen. Die als Ergebnis dargestellten Kriterien und Hinweise zur Planung leiten sich aus den Wünschen von Nutzern, erkannten Defiziten bestehender geburtshilflicher Einrichtungen und der Raumnutzung ab. Dabei bilden die Anforderungen zur Unterstützung des physiologischen Geburtsprozesses und die Ergebnisse aus der Befragung von rund 400 Elternteilen die wichtigsten Grundlagen. Die konkreten Planungsempfehlungen sind für Architekten und Nutzer verfasst. Sie haben das Ziel, die Privatheit der Gebärenden zu sichern, geburtsgerechte Haltungsvarianten und Bewegung zu unterstützen sowie den ermittelten Raumbedarf der Geburtshilfe bereitzustellen. Weiterhin werden die strukturellen Unterschiede zwischen den Angebotsformen und Versorgungsstufen, die ergonomischen Ansprüche, die körperlichen und psychischen Bedürfnisse sowie die erkundeten Wünsche der Nutzer zur Gestaltung berücksichtigt.

Die vorliegende Arbeit formuliert Empfehlungen für die strukturelle wie funktionale Gliederung, die Architektur, die Ausstattung und die Gestaltung von Geburtsräumen. Die als Ergebnis dargestellten Kriterien und Hinweise zur Planung leiten sich aus den Wünschen von Nutzern, erkannten Defiziten bestehender geburtshilflicher Einrichtungen und der Raumnutzung ab. Dabei bilden die Anforderungen zur Unterstützung des physiologischen Geburtsprozesses und die Ergebnisse aus der Befragung von rund 400 Elternteilen die wichtigsten Grundlagen. Die konkreten Planungsempfehlungen sind für Architekten und Nutzer verfasst. Sie haben das Ziel, die Privatheit der Gebärenden zu sichern, geburtsgerechte Haltungsvarianten und Bewegung zu unterstützen sowie den ermittelten Raumbedarf der Geburtshilfe bereitzustellen. Weiterhin werden die strukturellen Unterschiede zwischen den Angebotsformen und Versorgungsstufen, die ergonomischen Ansprüche, die körperlichen und psychischen Bedürfnisse sowie die erkundeten Wünsche der Nutzer zur Gestaltung berücksichtigt.

Mit zunehmender Komplexität technischer Softwaresysteme ist die Nachfrage an produktiveren Methoden und Werkzeugen auch im sicherheitskritischen Umfeld gewachsen. Da insbesondere objektorientierte und modellbasierte Ansätze und Methoden ausgezeichnete Eigenschaften zur Entwicklung großer und komplexer Systeme besitzen, ist zu erwarten, dass diese in naher Zukunft selbst bis in sicherheitskritische Bereiche der Softwareentwicklung vordringen. Mit der Unified Modeling Language Real-Time (UML-RT) wird eine Softwareentwicklungsmethode für technische Systeme durch die Object Management Group (OMG) propagiert. Für den praktischen Einsatz im technischen und sicherheitskritischen Umfeld muss diese Methode nicht nur bestimmte technische Eigenschaften, beispielsweise temporale Analysierbarkeit, besitzen, sondern auch in einen bestehenden Qualitätssicherungsprozess integrierbar sein. Ein wichtiger Aspekt der Integration der UML-RT in ein qualitätsorientiertes Prozessmodell, beispielsweise in das V-Modell, ist die Verfügbarkeit von ausgereiften Konzepten und Methoden für einen systematischen Modultest. <br><br> Der Modultest dient als erste Qualititätssicherungsphase nach der Implementierung der Fehlerfindung und dem Qualitätsnachweis für jede separat prüfbare Softwarekomponente eines Systems. Während dieser Phase stellt die Durchführung von systematischen Tests die wichtigste Qualitätssicherungsmaßnahme dar. Während zum jetzigen Zeitpunkt zwar ausgereifte Methoden und Werkzeuge für die modellbasierte Softwareentwicklung zur Verfügung stehen, existieren nur wenig überzeugende Lösungen für eine systematische modellbasierte Modulprüfung. <br><br> Die durchgängige Verwendung ausführbarer Modelle und Codegenerierung stellen wesentliche Konzepte der modellbasierten Softwareentwicklung dar. Sie dienen der konstruktiven Fehlerreduktion durch Automatisierung ansonsten fehlerträchtiger, manueller Vorgänge. Im Rahmen einer modellbasierten Qualitätssicherung sollten diese Konzepte konsequenterweise in die späteren Qualitätssicherungsphasen transportiert werden. Daher ist eine wesentliche Forderung an ein Verfahren zur modellbasierten Modulprüfung ein möglichst hoher Grad an Automatisierung. <br><br> In aktuellen Entwicklungen hat sich für die Generierung von Testfällen auf Basis von Zustandsautomaten die Verwendung von Model Checking als effiziente und an die vielfältigsten Testprobleme anpassbare Methode bewährt. Der Ansatz des Model Checking stammt ursprünglich aus dem Entwurf von Kommunikationsprotokollen und wurde bereits erfolgreich auf verschiedene Probleme der Modellierung technischer Software angewendet. Insbesondere in der Gegenwart ausführbarer, automatenbasierter Modelle erscheint die Verwendung von Model Checking sinnvoll, das die Existenz einer formalen, zustandsbasierten Spezifikation voraussetzt. Ein ausführbares, zustandsbasiertes Modell erfüllt diese Anforderungen in der Regel. Aus diesen Gründen ist die Wahl eines Model Checking Ansatzes für die Generierung von Testfällen im Rahmen eines modellbasierten Modultestverfahrens eine logische Konsequenz.<br><br> Obwohl in der aktuellen Spezifikation der UML-RT keine eindeutigen Aussagen über den zur Verhaltensbeschreibung zu verwendenden Formalismus gemacht werden, ist es wahrscheinlich, dass es sich bei der UML-RT um eine zu Real-Time Object-Oriented Modeling (ROOM) kompatible Methode handelt. Alle in dieser Arbeit präsentierten Methoden und Ergebnisse sind somit auf die kommende UML-RT übertragbar und von sehr aktueller Bedeutung.<br><br> Aus den genannten Gründen verfolgt diese Arbeit das Ziel, die analytische Qualitätssicherung in der modellbasierten Softwareentwicklung mittels einer modellbasierten Methode für den Modultest zu verbessern. Zu diesem Zweck wird eine neuartige Testmethode präsentiert, die auf automatenbasierten Verhaltensmodellen und CTL Model Checking basiert. Die Testfallgenerierung kann weitgehend automatisch erfolgen, um Fehler durch menschlichen Einfluss auszuschließen. Das entwickelte Modultestverfahren ist in die technischen Konzepte Model Driven Architecture und ROOM, beziehungsweise UML-RT, sowie in die organisatorischen Konzepte eines qualitätsorientierten Prozessmodells, beispielsweise das V-Modell, integrierbar. / In consequence to the increasing complexity of technical software-systems the demand on highly productive methods and tools is increasing even in the field of safety-critical systems. In particular, object-oriented and model-based approaches to software-development provide excellent abilities to develop large and highly complex systems. Therefore, it can be expected that in the near future these methods will find application even in the safety-critical area. The Unified Modeling Language Real-Time (UML-RT) is a software-development methods for technical systems, which is propagated by the Object Management Group (OMG). For the practical application of this method in the field of technical and safety-critical systems it has to provide certain technical qualities, e.g. applicability of temporal analyses. Furthermore, it needs to be integrated into the existing quality assurance process. An important aspect of the integration of UML-RT in an quality-oriented process model, e.g. the V-Model, represents the availability of sophisticated concepts and methods for systematic unit-testing. <br><br> Unit-testing is the first quality assurance phase after implementation to reveal faults and to approve the quality of each independently testable software component. During this phase the systematic execution of test-cases is the most important quality assurance task. Despite the fact, that today many sophisticated, commercial methods and tools for model-based software-development are available, no convincing solutions exist for systematic model-based unit-testing. <br><br> The use of executable models and automatic code generation are important concepts of model-based software development, which enable the constructive reduction of faults through automation of error-prone tasks. Consequently, these concepts should be transferred into the testing phases by a model-based quality assurance approach. Therefore, a major requirement of a model-based unit-testing method is a high degree of automation. In the best case, this should result in fully automatic test-case generation. <br><br> Model checking already has been approved an efficient and flexible method for the automated generation of test-cases from specifications in the form of finite state-machines. The model checking approach has been developed for the verification of communication protocols and it was applied successfully to a wide range of problems in the field of technical software modelling. The application of model checking demands a formal, state-based representation of the system. Therefore, the use of model checking for the generation of test-cases is a beneficial approach to improve the quality in a model-based software development with executable, state-based models. <br><br> Although, in its current state the specification of UML-RT provides only little information on the semantics of the formalism that has to be used to specify a component’s behaviour, it can be assumed that it will be compatible to Real-Time Object-Oriented Modeling. Therefore, all presented methods and results in this dissertation are transferable to UML-RT.<br><br> For these reasons, this dissertations aims at the improvement of the analytical quality assurance in a model-based software development process. To achieve this goal, a new model-based approach to automated unit-testing on the basis of state-based behavioural models and CTL Model Checking is presented. The presented method for test-case generation can be automated to avoid faults due to error-prone human activities. Furthermore it can be integrated into the technical concepts of the Model Driven Architecture and ROOM, respectively UML-RT, and into a quality-oriented process model, like the V-Model.

Software-basierte Selbsttest (SBST) Konzepte für Prozessoren werden zunehmend interessant nicht nur durch die At-Speed Test Problematik. Auch bezüglich Stromaufnahme und Testzeit bietet dieses Testkonzept gegenüber dem Standard Verfahren wie etwa Scan-Test Vorteile. Als grundsätzlich problematisch ist die Erzeugung solcher software-basierten Testroutinen anzusehen, da bislang kein geeigneter einheitlicher Entwurfsprozess vorliegt. Deshalb wurde exemplarisch für einen einfachen 16-bit Prozessorkern sowohl eine manuelle rein funktional erstellte SBST und eine automatisch generierte auf Strukturinformationen basierende SBST untersucht um die Möglichkeiten und Grenzen eines solchen Ansatzes aufzuzeigen.