Analysieren eines technischen Systems

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtete Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein maschinenlesbares Speichermedium mit einem solchen Programm.

Stand der Technik Als Systemanalyse wird in der Systementwicklung die erste

Phase im Entwurfsprozess eines technischen Systems verstanden. Der Systemanalytiker erfasst - in der Regel durch Befragung eines Systemexperten - die für seine Problemstellung

relevanten Systemelemente und deren Beziehungen zueinander sowie zum gegebenen Umfeld des Systems. Eine derartige

Systemanalyse kann auch zum Zwecke der Optimierung, Migration und Konvertierung von Systemen eingesetzt werden.

WO2000065414 AI gibt ein Verfahren zur Systemanalyse an, bei dem das System in Form einer Beschreibungsform modelliert ist. Eine Störung wird anhand einer Zufallsgröße modelliert. Das System einschließlich der Störung wird als stochastische

Differentialgleichung modelliert. Die stochastische

Differentialgleichung wird numerisch gelöst und die ermittelte Lösung zum Entwurf des technischen Systems eingesetzt. Ein Nachteil derartiger bekannter Ansätze liegt in ihrer

Abhängigkeit von einem vorgegebenen Modell des betrachteten Systems . Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8, einem Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie einem Speichermedium mit den Merkmalen des Anspruchs 10.

Ein Vorzug dieser Lösung liegt in der Nutzung einer als morphologische Analyse bekannten Methode, um selbst komplexe Problembereiche ohne Vorgabe einer konkreten Lösungsstruktur vollständig zu erfassen. Insbesondere bedient sich ein erfindungsgemäßes Verfahren dabei des - auch unter der

Bezeichnung „Zwicky-Box" bekannten - Werkzeuges des

morphologischen Kastens, um dem Anwender eine systematische Betrachtung sämtlicher denkbarer Zustände des zu

modellierenden Systems sowie seines Umfeldes zu gestatten.

Ein wesentlicher Vorteil gegenüber bekannten

Modellierungsansätze liegt dabei in der Möglichkeit, bereits auf der Grundlage des abstrakten Modells umfangreiche

statische und dynamische Analysen durchführen und

Modellierungsfehler somit frühzeitig erkennen und beheben zu können .

Mit Hilfe dieser Analysen und der durch sie vermittelten fortwährenden Rückmeldung an den Anwender lässt sich eine fehlerfreie und vollständige Modellierung weitaus schneller erreichen als mit herkömmlichen Modellierungsverfahren. Die mögliche Nutzung auf binären Entscheidungsdiagrammen fußender Algorithmen erlaubt dem Fachmann dabei eine gegenüber dem Stand der Technik ungleich effizientere Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms von hoher struktureller Skalierbarkeit. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. So kann das Erfassen des

morphologischen Kastens das Erfassen mindestens eines

Merkmales des Systems sowie von Ausprägungen des Merkmales umfassen, wobei jedes Merkmal einer Dimension des

Zustandsraumes entspricht, und das Erfassen der Regeln ein Auswählen unter den Merkmalen sowie unter der Ausprägungen der ausgewählten Merkmale umfassen. Für den mit der herkömmlichen Darstellungsweise einer Zwicky-Box vertrauten Benutzer ergibt sich so eine schlüssige und intuitive Herangehensweise.

Das Erfassen der Regeln kann ein Einteilen der Regeln in

Einschlussregeln und Ausschlussregeln umfassen, wobei das Erfassen der Modi anhand der Einschlussregeln und der

Ausschlussregeln und das Erfassen der Übergänge anhand der Einschlussregeln erfolgen. Diese Herangehensweise verleiht der Erfassung der Modi und Regeln eine besonders hohe

Flexibilität .

Es kann ferner anhand der Regeln ein aus nicht

systemrelevanten Zuständen gebildeter nicht systemrelevanter Unterraum des Zustandsraumes erfasst, eine Vereinigungsmenge der systemrelevanten Unterräume mit dem nicht systemrelevanten Unterraum gebildet und anhand der Mächtigkeit des

Zustandsraumes und der Mächtigkeit der Vereinigungsmenge ein Erfassungsgrad des Systems ermittelt werden, wobei der

Analysebericht die Mächtigkeit des Zustandsraumes sowie den Erfassungsgrad umfasst. Alternativ oder in Ergänzung können paarweise Schnittmengen der systemrelevanten Unterräume gebildet und anhand der Schnittmengen die Überlappungsfreiheit der Modi ermittelt werden, wobei der Analysebericht die

Überlappungsfreiheit umfasst. Die Vollständigkeit und

Überlappungsfreiheit der so erfassten Modi des Systems lassen sich so bereits in einem frühen Entwurfsstadium bewerten und gezielt verbessern. Das Erfassen des morphologischen Kastens kann mittels einer ersten Registerkarte, jenes der Modi mittels einer zweiten Registerkarte und jenes der Übergänge mittels einer dritten Registerkarte einer durch einen Analytiker bedienbaren grafischen Benutzeroberfläche erfolgen. Diese Ausgestaltung wiederum gestattet dem Anwender eine umschaltbare Ansicht des zu erstellenden Modells, welche die aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte widerspiegelt und einen iterativen

Analyseprozess massiv unterstützt. Die Nutzung einer

grafischen Benutzeroberfläche begünstigt dabei ein intuitives Verständnis der zugrunde liegenden Aufgabenstellung und bewahrt den Benutzer zugleich vor widersprüchlichen

Festlegungen .

Schließlich kann ein Simulationsmodell des Systems erstellt werden, welches ein erstes Teilmodell zum Quantisieren des

Zustandsraumes anhand des morphologischen Kastens sowie ein zweites Teilmodell zum Simulieren der Ereignisse umfasst.

Weitere Phasen des Entwurfsprozesses werden so besonders vorteilhaft unterstützt. Insofern werden Aufwand und

Fehleranfälligkeit einer nachfolgenden Simulation beträchtlich verringert und die resultierende Gesamtentwicklungszeit maßgeblich verkürzt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

Figur 1 zeigt den strukturellen Kontext einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 2 zeigt den ausschnittsweisen Bildschirmabzug eines mittels eines erfindungsgemäßen Computerprogramms erfassten morphologischen Kastens. Figur 3 zeigt den ausschnittsweisen Bildschirmabzug einer mittels des Computerprogramms erfassten Regel.

Figur 4 zeigt den ausschnittsweisen Bildschirmabzug einer durch das Computerprogramm anhand vorgegebener Filterkriterien ermittelten Ergebnisliste von Regeln.

Figur 5 zeigt den Bildschirmabzug der ersten Registerkarte einer grafischen Benutzeroberfläche des Computerprogramms während der Erfassung des morphologischen Kastens.

Figur 6 zeigt den Bildschirmabzug einer zweiten Registerkarte der Benutzeroberfläche während der Erfassung von Modi anhand der Regeln.

Figur 7 zeigt den Bildschirmabzug einer dritten Registerkarte der Benutzer während der Erfassung von Übergängen zwischen den Modi . Figur 8 zeigt zwei ausschnittsweise Bildschirmabzüge eines mittels des Computerprogramms erfassten morphologischen

Kastens während der Visualisierung eines Überdeckungsgrades.

Figur 9 zeigt ein durch das Computerprogramm erzeugtes

Simulationsmodell . Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 illustriert die systematische Einordnung einer

Ausführungsform 10 des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Gegenstand der durch einen Analytiker 14 durchzuführenden Analyse ist dabei ein - tatsächliches oder noch

umzusetzendes - technisches System 11 in einem gegebenen

Kontext oder Umfeld 12. Mangels eigener Systemkenntnis führt der Analytiker 14 hierzu typischerweise eine Befragung 15 zumindest eines einschlägig versierten Systemexperten 16 durch und erfasst die gewonnenen Erkenntnisse unter Nutzung des Verfahrens 10. Im Mittelpunkt der Betrachtung 17 steht dabei eine Formalisierung der möglichen Zustände des Systems 11 sowie des Umfeldes 12, von denen einige als für die

vorgegebene Aufgabenstellung systemrelevant, andere wiederum als nicht systemrelevant eingestuft werden mögen. Der nicht systemrelevante Unterraum - im Folgenden als NonSys

bezeichnet - enthält dabei etwa physikalisch unmögliche, für die statische Betrachtung irrelevante oder bewusst

ausgeschlossene Zustände.

Die Erfindung macht sich in einem weiteren Aspekt eine der morphologischen Analyse entliehene Betrachtung 17 zu eigen, deren Ausgangspunkt die voneinander unabhängigen Merkmale 18 - auch Attribute, Faktoren oder Parameter genannt - des Systems 11 sowie deren jeweilige alternative Ausprägungen 19

darstellen. Versteht man Letztere als Tupel oder anderweitige mathematische Objekte, so spannen die durch die möglichen Ausprägungen 19 jedes Merkmales 18 definierten Mengen einen Problem- oder Zustandsraum PSpace auf, also eine strukturierte Menge, die sämtliche Zustände des Systems 11 sowie des

Umfeldes 12 umfasst, wobei jedes Merkmal 18 einer Dimension di, i = 1 ... n des Zustandsraumes PSpace = d x ... x d _n mit ihren

Elementen pj, i = 1 ... n, j = 1 ... r entspricht. Diese gedanklich-mathematische Struktur lässt sich anschaulich in Form eines morphologischen Kastens 13 erfassen. Dieser Kasten 13 besitzt die Gestalt einer Tabelle, in der jede

Kombination von Ausprägungen 19 aller Merkmale 18 einem denkbaren Zustand des Zustandsraumes PSpace entspricht. Figur 2 zeigt einen vollständig erfassten morphologischen Kasten 23 in einer detaillierteren Darstellung, welche dem Bildschirmauszug eines zur Durchführung des Verfahrens 10 eingerichteten Computerprogramms entnommen ist. Erkennbar wird nunmehr die vorgenommene Unterscheidung zwischen bedingten Merkmalen 27 einerseits, welche gleichsam die Folge eines gegebenen Modes beschreiben, und bedingenden Merkmalen 28 andererseits, welche die Kriterien für das Vorliegen des Modes festlegen .

Um das System einer systematischen Analyse zugänglich zu machen, erlaubt es das Computerprogramm ferner, den

diesbezüglichen Zustandsraum PSpace auf vielfältige Weise zu strukturieren, wie die Figur 3 anhand des morphologischen Kastens 33 verdeutlicht. Der morphologische Kasten 33 dient dabei zur Erfassung einer auf den Zustandsraum PSpace bezogenen Regel 30, indem er mittels einer grafischen Benutzeroberfläche die intuitive Auswahl individueller Merkmale 38 sowie

einzelner Ausprägungen 39 der ausgewählten Merkmale 38

ermöglicht. Die Regel 30 wiederum definiert im vorliegenden Beispiel einen sogenannten Modus 32, welcher einem aus

systemrelevanten Zuständen gebildeten Unterraum i = 1 ... m des Zustandsraumes PSpace entspricht. Die Modi 32 sind dabei derart gewählt, dass jeder Modus 32 eine für sich verständliche

Arbeitsweise des Systems bedingt und die entsprechenden

Unterräume M _t möglichst elementfremd sind. Im Idealfall gilt demnach die Beziehung:

Mi Π M _j = 0, i,j = 1 ... m Λ ί j Figur 4 illustriert eine fortgeschrittene Funktion des

Computerprogramms, welche es dem Benutzer ermöglicht, durch die Vorgabe geeigneter Filterkriterien 44 eine programmatisch ermittelte Ergebnisliste 45 abzurufen. Diese Möglichkeit mag sich im Zuge eines iterativen Entwurfsprozesses als hilfreich erweisen. Der weitere Aspekt der Figur 4 lässt ferner die durch den Benutzer vorgenommene Unterscheidung zwischen Einschlussregeln 40 und Ausschlussregeln 41 der verschiedenen Modi 42 erkennen. Dabei können beiderlei Regeln 40, 41 durchaus mehrere

Ausprägungen 49 eines Merkmales 48 aufgreifen, sodass jede der gewählten Ausprägungen des betreffenden Merkmales 48 die

Anwendung der Regel 40, 41 begründen beziehungsweise dieser entgegenstehen kann. Andererseits ist es ebenso denkbar, dass einzelne Regeln 40, 41 ein bestimmtes Merkmal 48 vollständig außer Acht lassen, sodass die Ausprägung 49 dieses Merkmales 48 sich nicht auf die Anwendung der Regel 40, 41 auswirkt. Begreift man die Einschlussregeln 40 sowie die

Ausschlussregeln 41 mathematisch als Teilmengen E _t

beziehungsweise A _t von PSpace , so lässt sich deren Beziehung zu den darauf bezogenen Modi 42 durch folgende Gleichung

beschreiben :

Die nachfolgenden Verfahrensschritte seien nunmehr anhand der einander entsprechenden Figuren 5, 6 und 7 erläutert, welche die grafische Benutzeroberfläche 50 in ihrer Gesamtheit wiedergeben. Die Benutzeroberfläche 50 bedient sich zu diesem Zweck in einem weiteren Aspekt dreier Registerkarten 57 (Figur 5), 67 (Figur 6) und 77 (Figur 7), welche die durch das

Computerprogramm bereitgestellten Informationen und

Eingabefelder auf mehreren hintereinander liegenden

Dialogfeldern eines gemeinsam genutzten Programmfensters 51 ordnen. Dabei befindet sich stets eine Registerkarte 57, 67, 77 im Vordergrund des Programmfensters 51 und erlaubt so die Eingabe oder den Abruf der für den jeweiligen

Verfahrensschritt benötigten Informationen. In einem ersten Verfahrensschritt gemäß Figur 5 wird dabei mittels der ersten Registerkarte 57 zunächst ein

morphologischer Kasten 53 mit den entsprechenden Merkmalen 58 und Ausprägungen 59 erfasst. Diese Herangehensweise entspricht insofern den vorstehenden grundlegenden Ausführungen.

In einem zweiten Verfahrensschritt gemäß dem in Figur 6 gezeigten weiteren Aspekt der Erfindung werden nunmehr mittels der zweiten Registerkarte 67 verschiedene Modi 62 anhand von durch die Auswahl von Merkmalen 68 und deren Ausprägungen 69 in dem morphologischen Kasten 63 definierter Regeln 60

erfasst. Die Regeln 60 dienen ferner zur Erfassung des für die vorliegende Fragestellung nicht systemrelevanten Unterraumes NonSys des Zustandsraumes PSpace . Auf dieser Grundlage kann das Computerprogramm verschiedene statische Analysen durchführen, die die bisher erfassten Konzepte zueinander in Beziehung setzen .

Eine mit dem Nachweis bestimmter Eigenschaften des

mehrdimensionalen Modells verbundene Herausforderung ist dem Fachmann dabei unter dem Schlagwort der „kombinatorischen Explosion" vertraut. Gemäß dieser Erscheinung wächst die

Anzahl der Zustände exponentiell mit der Anzahl der

Komponenten des Systems. Das Computerprogramm repräsentiert die im Rahmen der Regelanwendung verwendeten Booleschen

Funktionen aus diesem Grunde durch binäre

Entscheidungsdiagramme (binary decision diagrams, BDD) , wie sie traditionell insbesondere im Bereich der Hardwaresynthese und -Verifikation eingesetzt werden. Eine von diesem Ansatz abweichende Ausführungsform kann sich - um den Preis einer entsprechend erhöhten Laufzeit - beispielsweise des

hinlänglich bekannten Quine-McCluskey-Verfahrens (QMCV) zur Funktionsminimierung oder einer schlichten tabellarischen Aufstellung sämtlicher Wertekombinationen bedienen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Im Rahmen einer Vollständigkeitsanalyse wird dabei überprüft, ob sämtliche Zustände durch Modi M _t oder NonSys abgedeckt sind. Zu diesem Zwecke werden nur die bedingenden Merkmale

berücksichtigt, während bedingte Merkmale außer Acht bleiben. Wenn M _t die Modi des Systems unter Ausschluss der bedingten Merkmale und CSpace den von den bedingenden Merkmalen

aufgespannten Zustandsraum bezeichnet, so wäre eine

vollständige Abdeckung somit unter folgender Bedingung

erreicht :

M _t U NonSys = CSpace

i

Als Maßstab für das postulierte Ziel der vollständigen

Erfassung ermittelt das Computerprogramm daher die Mächtigkeit 64 des Zustandsraumes und vergleicht sie mit jener der

Vereinigungsmenge U NonSys . Das Vergleichsergebnis wird in Form eines Erfassungsgrades 65 und eines Nichterfassungsgrades 66 im Rahmen eines Analyseberichtes 61 präsentiert und zu der Mächtigkeit 64 des Zustandsraumes in Beziehung gesetzt, wobei eine zusätzliche logarithmische Darstellung die

Übersichtlichkeit erhöht.

Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung werden im Rahmen einer zusätzlichen Analyse der Überlappungsfreiheit 66b die Modi Mj, Mj paarweise untersucht. Auch für diese Betrachtung bleiben bedingte Merkmale außer Acht. Konkret wird für jeweils zwei Modi M _t und Mj geprüft, ob tatsächlich die oben

geforderte Bedingung gilt:

Mi Π M; = 0, i,j = 1 ... m Λ i j Ist diese Bedingung für alle Paare von Modi erfüllt, so wird die Überlappungsfreiheit 66b dem Benutzer grafisch angezeigt.

Sowohl für das Erreichen der Vollständigkeit als auch das Erreichen der Überlappungsfreiheit 66b unterstützt das

Computerprogramm den Benutzer durch automatische Vorschläge von kompakten Regeln 60.

In einem dritten Verfahrensschritt gemäß Figur 7 schließlich werden - abermals anhand von Regeln 60 - tabellarisch

zusammengefasste Übergange 71 von jeweils einem ersten Modus 72 in einen zweiten Modus 74 erfasst, wobei jeder Übergang 71 einem Ereignis 76 entspricht. Auch diese Übergänge 71 können der Erstellung des Analyseberichtes zugrunde gelegt werden, um neben der statischen Struktur auch das dynamische Verhalten des Systems zu beleuchten. So ist auch hier an ein - dem oben beschriebenen Erfassungsgrad entsprechendes -

Vollständigkeitskriterium zu denken, um zu verifizieren, dass ein geeigneter Übergang 71 für jedes denkbare Ereignis 76 in jedem (ersten) Modus 72 definiert ist. Auch

nichtdeterministische Übergänge zwischen zwei Modi 72, 74 lassen sich mithilfe geeigneter dynamischer Analysen

vermeiden. Schließlich lässt sich durch eine entsprechende Annotation der Übergänge 71 zudem die Einhaltung und

Vollständigkeit sogenannter Walkthrough-Ziele sicherstellen.

Besonderes Augenmerk unter den statischen Analysen verdient die Überdeckungsdarstellung für einzelne Ausprägungen gemäß der Figur 8. Ausgehend von einer (teilweisen) Abdeckung des Zustandsraumes PSpace durch die erfassten Modi M _t geben die beiden ausschnittsweisen Bildschirmauszüge das Maß der

Abdeckung des noch „offenen" Zustandsraumes PSpace in

Abhängigkeit von der bereits partiell gewählten Regel R - definiert anhand des morphologischen Kastens 83 mitsamt seiner Merkmale 88 und deren Ausprägungen 89 - wider. Für die von der Regel R noch nicht erfassten Merkmale dj betrachtet das Computerprogramm hierzu die Überdeckung der Ausprägungen auf dem Unterraum J T(pj) nach folgender Definition:

M(pj) = {s £ R Is _£ = pj} c PSpace Das Computerprogramm berechnet sodann für alle nicht

ausgewählten Ausprägungen pj die folgende Differenz zu einem Quotienten aus der Anzahl der noch nicht „abgedeckten"

Zustände, welche die Ausprägung pj enthalten, und der Anzahl der Zustände mit pj in Relation zur partiellen Regel R:

^{Cj ~ 1} #M(p Diese Differenz cj beschreibt somit den Überdeckungsgrad der

Möglichkeit pj . Das Ergebnis wird abbildungsgemäß im

Hintergrund der morphologischen Kästen 83 durch eine erste Markierung 80 dargestellt, deren Ausdehnung die errechnete Überdeckung der betreffenden Ausprägung 89 widergibt. Ist eine Ausprägung 89 bezüglich der partiellen Regel R vollständig abgedeckt, so ist die ihr zugeordnete Zelle durch eine zweite Markierung 81 über ihre volle Breite hinterlegt.

Die abschließende Figur 9 gibt gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ein durch das auf einem maschinenlesbaren

Speichermedium 90 gespeicherte Computerprogramm erstelltes ausführbares Simulationsmodell wider. Das Simulationsmodell umfasst ein erstes Teilmodell 91, in welchem die meist

kontinuierlichen Signale der Modellstrecke 94 auf die

diskreten Ausprägungen des morphologischen Kastens abgebildet werden. Ein zweites Teilmodell 92 dient zur Simulation der Ereignisse anhand der Übergänge und somit gleichsam zur „Umschaltung" zwischen zeitlich aufeinander folgenden Modi, die in einem dritten Teilmodell 93 letztendlich wieder auf Signale der Modellstrecke 94 abgebildet werden.