Bewertung der Zuverlässigkeit von Automatisierungssystemen in frühen Entwicklungsphasen

Die Steuerung und Regelung technischer Prozesse erfolgt heutzutage zunehmend durch Automatisierungssysteme, welche dem Menschen die dazu notwendigen Aufgaben abnehmen. Dies reicht von der Überwachung und Beeinflussung einfacher technischer Abläufe, wie dem Waschen von Wäsche, bis hin zu komplexen Prozessen, wie z. B. dem automatischen Einparken, der Herstellung von Chemikalien oder der Erzeugung von Energie. Da Automatisierungssysteme die Kontrolle der ablaufenden Prozesse weitgehend übernehmen, ist es notwendig, dass diese Systeme zuverlässig funktionieren. Um dies sicherzustellen, muss die Zuverlässigkeit für Automatisierungssysteme gezielt entwickelt werden. Je früher die Zuverlässigkeit während der Entwicklung bewertet wird, desto geringer ist der Aufwand für notwendige Änderungen. Dabei treten insbesondere die Herausforderungen auf, dass in frühen Entwicklungsphasen noch keine Zuverlässigkeitsdaten aus dem Test oder Betrieb vorliegen und dass sich das Automatisierungssystem aus Elektronik und Software zusammensetzt.

Zur Lösung dieser Herausforderungen wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Konzept der Zuverlässigkeitsbewertung entwickelt. Dazu wird die Übertragung bestehender Betriebserfahrung betrachtet, wie sie bei elektronischen Bauteilen z. B. in Form von Ausfallratenkatalogen erfolgt. In Analogie zu elektronischen Bauteilen werden rigide definierte Softwarekomponenten eingeführt, die unverändert mehrfach verwendet werden. Durch Auswertung empirischer Daten aus bisherigen Anwendungen entsteht für jede Softwarekomponente eine Zuverlässigkeitsaussage mit einer hohen Aussagekraft. Um daraus die Zuverlässigkeit eines Automatisierungssystems zu berechnen, wird der gemeinsame Beitrag von elektronischen Bauteilen und von Softwarekomponenten zu den Systemfunktionen betrachtet. Durch Auswertung von erweiterten UML- Diagrammen wird eine Formel der Systemzuverlässigkeit bestimmt. Zu diesem Zweck sieht das Konzept unterschiedliche Genauigkeiten abgestuft nach Aufwand vor. Für die Durchführung der Berechnung werden numerische Verfahren konzipiert und durch Softwarewerkzeuge unterstützt.

Die Anwendbarkeit des Konzepts in frühen Entwicklungsphasen wird anhand des Modellprozesses eines computergesteuerten Modellbautrucks demonstriert. Es wird damit gezeigt, dass das Konzept sowohl die Zuverlässigkeitsbewertung eines einzelnen Entwurfsszenarios als auch den Vergleich und die Optimierung mehrerer Entwurfsszenarien hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit ermöglicht. Abschließend wird das Konzept gegenüber den Anforderungen an die Zuverlässigkeitsbewertung von Automatisierungssystemen in frühen Entwicklungsphasen evaluiert.