Was ist ein Szenario und ein Szenario-basiertes Vorgehen in der Entwicklung und Validierung komplexer Systeme?

Was sind die Grundbegriffe bei der Szenario-basierten Vorgehensweisen in der Entwicklung und Absicherung komplexer Systeme?

Ein Szenario ist das interaktive Zusammenspiel von dynamischen und statischen Objekten und Systemen (auch System-of-Systems) in einer bestimmten Konstellation unter Berücksichtigung der jeweils relevanten Einflussfaktoren, Umweltbedingungen und System-Konfigurationen. Dabei stehen die Objekte und Systeme des Szenarios in einem zeitlich und räumlich begrenzten Zusammenhang.

Dementsprechend umfasst die Szenario-Beschreibung einerseits die Auflistung der beteiligten Objekte, Systeme, Konstellationen und System-Zusammenhänge. Gemäß dem Projekt PEGASUS spricht man dabei von einem funktionalen Szenario. Andererseits werden die Wertebereiche der Parameter und Eigenschaften der Objekte und Systeme sowie diverse Anfangs- und Randbedingungen des Szenarios beschrieben. Dies erfolgt durch Angabe von Verteilungen und Wertebereichen der jeweiligen Parameter. In PEGASUS spricht man dabei dann von einem logischen Szenario.

Bei einer konkreten Ausführung eines Szenarios mit festgelegten bzw. gegeben Konstellationen, Parameterwerten und Konfigurationen sprechen wir von einem konkreten Fall, Beispiel oder Sample, egal ob es sich um

  • eine ausgeführte Simulation (Simulationsfall),
  • eine Durchführung eines realen Tests (Testfall) oder
  • die konkrete Beobachtung/Messung aus der realen Welt (realer Fall)

handelt. Ein konkreter Fall entspricht dabei einem konkreten Szenario gemäß PEGASUS.

Der Übergang von der abstrakten, formellen Szenario-Beschreibung zu den konkreten Fällen erfolgt über Sampling-Verfahren. Typische Verfahren sind etwa Monte-Carlo-Methoden oder Design-of-Experiments.

Wenn man einen Schnappschuss eines bestimmten Zeitpunkts innerhalb eines konkreten Falls nimmt, spricht man von einer Szene.

Eine Situation umfasst eine Szene inklusive der Zusammenhänge und Motivationen/Intentionen der beteiligten Objekte.

Ein Anwendungsfall (Use-Case) beschreibt abstrakt einen spezifischen, funktionalen Aspekt eines bestimmten Systems in der Außensicht des Nutzers auf das System. In der Regel dienen die Anwendungsfälle zur Spezifikation und Anforderungsformulierung von Systemen bzw. zur Beschreibung der (gewünschten) Fähigkeiten eines Systems. Innerhalb eines Szenarios kommen in Abhängigkeit der konkreten Fälle bestimmte Anwendungsfälle eines Systems zum Einsatz und zur Wirkung. Damit können Szenarien zur beispielhaften Darstellung und der Validierung der abstrakten Anwendungsfälle eines Systems verwendet werden.

Innerhalb eines Szenarios kommt es ggf. zu Einschränkungen eines Anwendungsfalls, wenn man diesem eine bestimmte Annahme oder Handlungsoption bzgl. die Systemaktion zuschreibt. Insbesondere bei "intelligenten" Systemen werden so verschiedene Handlungsalternativen ausprobiert und bewertet, um die bestmöglichen Aktionen für eine Situation zu ermitteln. Eine spezifische Ausprägung davon ist etwa die "inkrementell probabilistische Simulation".

Ein gegebener Fall kann im Nachhinein durch passende Parameter, Attribute und Bewertungskriterien (sogenannte Key Performance Indicators, KPIs) a-posteriori bewertet und beschrieben werden. Diese Bewertungen stehen nur für konkrete Fälle zur Verfügung. Wenn die Bewertungskriterien die Wirkung eines Systems beschreiben, dann eignen sich diese als Grundlage für eine Effektivitätsbewertung. Dabei wird die Wirkung eines Systems für eine dezidierte Menge von Szenarien quantitativ und vergleichend ausgewertet.

Von einem Szenario-Katalog oder einer Szenario-Datenbasis spricht man, wenn man unterschiedliche Szenarien in einer einheitlichen Datenbasis zusammenfasst, egal aus welcher Quelle die Daten stammen. Die Szenarien sind dabei passend parametriert und attribuiert beschrieben, sodass damit auf ausgesuchte Teilmengen des Katalogs entsprechend den interessierten Analysen zugegriffen werden kann, wie etwa auf bestimmte Wirkfelder (Operational Domains) eines Systems zur Effektivitätsbewertung.

Von Szenario-Mining spricht man, wenn man aus dem Szenario-Katalog Erkenntnisse durch die Anwendung von Data-Mining-Verfahren gewinnt.

In der Szenario-basierten Entwicklung und Validierung stellt man das gewünschte/geforderte, konforme Verhalten eines Systems in einer Menge von Szenarien dar, welche für den (sicheren) Einsatz des Systems relevant sind. Dazu werden idR die Umwelt- und Umgebungsbedingungen, die interaktiven Verhaltensmuster sowie die Konfigurationen und Konstellationen der beteiligten Objekte und Systeme derart variiert, dass die angestrebten und möglichen Betriebs- und Einsatzbedingungen ausreichend mit relevanten Szenarien abgedeckt sind und mindestens den "Operational Design Domain" überspannen.

Szenario-Management umfasst den gesamthaften und umfassenden Prozess der Szenario-basierten Entwicklung und Validierung von

  • der Versuchsplanung und Definition der relevanten Szenarien,
  • der systematischen Generierung und Sammlung der Daten,
  • der Zusammenstellung und dem Arrangement der Szenario-Daten,
  • der Plausibilisierung und Qualitätssicherung der Daten,
  • der Analyse und Auswertung der Szenarien,
  • der laufenden Verbesserung und Adaption der Systeme bis zu
  • der laufenden, iterative Wiederholung.

Zuletzt aktualisiert am 2022-01-17 von Andreas Kuhn.

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