Requirements specification and analysis for embedded systems

Abstract

Die Wichtigkeit und der Marktanteil von eingebetteten Systemen wächst Jahr für Jahr.<br />Eingebettete Systeme werden in sehr unterschiedlichen Industriezweigen eingesetzt:<br />Telekommunikation, Automobilindustrie, Flugzeugindustrie, medizinische Gerät, usw.<br />Solche Systeme bestehen aus einer Kombination von Hardwarekomponenten und Softwarekomponenten, die beide für neue Produkte spezifiziert, entworfen und entwickelt werden müssen.<br />Die Anforderungserhebung befasst sich mit dem Verstehen und dem Verwalten von Stakeholderbedürfnissen und Systembegrenzungen.<br />Das Ziel ist es, sicherzustellen, dass das finale Produkt den Wünschen der Stakeholder entspricht.<br />Anforderungen für eingebettete Systeme stellen eine Herausforderung für traditionelle Methodologien der Anforderungserhebung dar, welche auf Softwareanforderungen fokussiert sind, denn die Anforderungserhebung entwickelte sich historisch gesehen aus der Softwaretechnik.<br />Diese Doktorarbeit steuert ein Rahmenwerk für die Spezifikation von Anforderungen und die Anforderungsanalyse bei.<br />Das Rahmenwerk hat einen Fokus auf eingebettete Systeme, kann aber auch in anderen Bereichen verwendet werden.<br />Unter Spezifikation von Anforderungen versteht man das Dokumentieren von Anforderungen, die vorher von verschiedenen Stakeholdern gesammelt wurden, in einer gewissen Schreibweise.<br />Unter Anforderungsanalyse versteht man das Entdecken und das Beheben von diversen Problemen in einem Satz von Anforderungen, z.B.<br />interne Inkonsistenzen oder das Fehlen von funktionalen oder nichtfunktionalen Anforderungen.<br />Im Zentrum des Rahmenwerks befindet sich ein Domänenontologiesystem.<br />Die Domänenontologie enthält formalisiertes Wissen über die Domäne.<br />Diese Dissertation steuert solch ein Ontologiesystem für Anforderungserhebung bei, welches aus Begriffen, Relationen, Axiomen, Ausfallsarten und Ausfallsraten besteht.<br />Das Ontologiesystem ist modular ausgelegt, um die Wiederverwendung von Wissen zwischen verschieden Projekten und verwandten Domänen zu unterstützen.<br />Domänenontologien sind für die Entwicklung von eingebetteten Systemen gut geeignet, weil die Industrie zurückhaltend in Hinblick auf Veränderungen ist, und Produkte in zunehmendem Maße in Produktfamilien entwickelt werden.<br />Dies erhöht das Potenzial für Wissenswiederverwendung und senkt den Aufwand, geeignete Domänenontologien zu erschaffen.<br />Diese Doktorarbeit empfiehlt die Verwendung der Boilerplates-Notation für Anforderungen.<br />Boilerplates sind Anforderungsvorlagen, die aus fixen und variablen Teilen bestehen.<br />Unserer Meinung nach sind sie ein guter Kompromiss zwischen der Lesbarkeit und Verständlichkeit für Stakeholder auf der einen Seite, und der Einheitlichkeit, Präzision und der Unterstützung von automatisierten Analysen auf der anderen Seite.<br />Diese Doktorarbeit erweitert die ursprüngliche Definition in mehreren Aspekten, was zu einer besseren Verwendbarkeit und einer kleineren Anzahl von Vorlagen führt.<br />Als Unterstützung für die Spezifikation von Anforderungen wird in dieser Dissertation ein neuartiges semantisches Leitsystem vorgestellt.<br />Dieses Leitsystem verwendet das Wissen aus der Domänenontologie um Ausdrücke zu generieren, die in Anforderungen verwendet werden können und schlägt diese dem Anforderungsanalytiker vor.<br />Das System verwendet semantische Verwandtheit zu Anforderungsteilen, die bereits spezifiziert wurden, und Lokalität von benachbarten Anforderungen.<br />Dadurch schlägt es automatisch Ausdrücke vor, die mit einer hohen Wahrscheinlichkeit den Absichten des Anforderungsanalytikers entsprechen.<br />Das Ziel ist es, Boilerplate-Anforderungen mit einer hohen Qualität zu spezifizieren, die die validierte Terminologie der Domänenontologie bereits korrekt verwenden.<br />Das vorgestellte Rahmenwerk enthält mehrere Analysen, die die Entdeckung von Schwachstellen in Anforderungen im Bezug auf Vollständigkeit, Konsistenz und Mehrdeutigkeit ermöglichen.<br />Dazu vergleicht das Analysesystem das Ontologiewissen mit Daten, die aus den Anforderungen extrahiert werden.<br />Diese Arbeit steuert neue Analysearten und die Verwendung von Begriffpfaden bei, was die Analysepräzision steigert.<br />Zusätzliche Sicherheitsanalysen zur Ausfallsidentifizierung und der Schätzung von Ausfallsraten sind ebenfalls enthalten.<br />Die Verfügbarkeit einer Domänenontologie ist Voraussetzung für die Verwendung des Rahmenwerks.<br />Doch die manuelle Erstellung einer Domänenontologie bereitet großen Aufwand.<br />Deshalb unterstützt das Rahmenwerk zusätzlich Ontologieextraktion, d.h. mehrere halbautomatisierte Verfahren um Wissen aus Textdokumenten und Tabellen zu gewinnen.<br />Das gewonnene Wissen muss anschließend von Fachleuten validiert werden, bevor es in die Domänenontologie aufgenommen wird.<br />

The importance and market share of embedded systems grow year by year.<br />Embedded systems are applied in very diverse industries:<br />telecommunication, automotive, aerospace, medical equipment, etc.<br />Such systems consist of a combination of hardware components and software components, both of which must be specified, designed and implemented for new products.<br />Requirements engineering deals with understanding and managing the needs of stakeholders and system constraints.<br />The goal is to make sure the final product matches the desires of stakeholders.<br />Requirements for embedded systems are a challenge for traditional requirements engineering methodologies which - as requirements engineering historically developed from software engineering - have a focus on software requirements.<br />This thesis contributes a framework for requirements specification and requirements analysis.<br />The framework is targeted at embedded systems, but does not preclude usage in other domains.<br />Requirements specification means the documentation of requirement statements that were previously elicited from various stakeholders into some requirements notation.<br />Requirements analysis deals with the discovery and correction of various problems within a set of requirements, e.g., internal inconsistency, omission to specify functional or non-functional requirements.<br />Central to the framework is a domain ontology system.<br />The domain ontology contains formalized knowledge about the problem domain.<br />This thesis contributes such an ontology system for requirements engineering, consisting of concepts, relations, axioms, failure modes and failure rates.<br />The ontology system is designed to be modular to support reuse of knowledge between different projects and related domains.<br />Domain ontologies are well applicable to the development of embedded systems because the industry tends to be conservative with regards to changes and products are increasingly developed in product families.<br />This increases the potential for knowledge reuse and lowers the effort to create appropriate domain ontologies.<br />This thesis proposes using the boilerplates notation for requirement statements.<br />Boilerplates are requirements templates that have fixed and variable parts.<br />In our opinion they are a good compromise between readability and understandability by stakeholders on one hand, and uniformity, preciseness and support for automated analysis on the other hand.<br />This thesis enhances the original definition in several aspects which results in a better usability and a smaller set of templates.<br />In order to support requirements specification, this thesis proposes a novel semantic guidance system.<br />This guidance system exploits the domain ontology knowledge to generate phrases to be used in requirement statements and suggests them to the requirements engineer.<br />The system uses semantic relatedness to parts of the statement that have already been specified and locality to nearby requirements.<br />This way it automatically suggests phrases that have a high probability to match the requirements engineer's intentions.<br />The goal is to specify high-quality boilerplate requirements that already make correct use of the validated terminology defined in the domain ontology.<br />The proposed framework contains several analyses that are able to detect problems within requirement statements related to completeness, consistency, ambiguity and redundancy.<br />For this purpose, the analysis system compares ontology knowledge with information extracted from requirements.<br />This thesis contributes new kinds of analyses and using concept paths for increased analysis precision.<br />Additional safety analyses for hazard identification and failure rate estimation are included as well.<br />The availability of a domain ontology is a prerequisite to using this framework.<br />But building a domain ontology in a purely manual way takes a lot of effort.<br />Therefore the framework additionally supports ontology extraction, i.e., several semi-automated extraction techniques to obtain knowledge from text documents and tables.<br />The extracted data still has to be validated by a domain expert before adding it to the domain ontology.