Requirements Engineering am Beispiel Schaltschrank

„Der Schaltschrank muss IP 54 sein.“

So oder so ähnlich steht es in den Liefervorschriften, die ich gelesen habe. Die Aussage ist nicht falsch. Sie sagt aber nicht, was der Schrank tun soll. Sie nennt einen Kennwert und überlässt dem Leser, wofür.

Gutes Requirements Engineering ermöglicht Wiederverwendbarkeit von Anforderungen und öffnet die Tür für neue Lösungen. Eine Funktion ist lösungsfrei: Sie gilt weiter, wenn das Bauteil wechselt.

Anforderungen sollten als Funktion geschrieben sein: Wer leistet was, von wo nach wo, und woran wird es gemessen. Der Einwand dagegen lautet: zu schwierig. Er ist berechtigt, denn mir fällt der Schritt vom Merkmal zur Funktion selbst nicht immer leicht.

Deshalb habe ich nachgesehen, wie heute tatsächlich geschrieben wird. Vier öffentlich abrufbare Spezifikationen, 109 Sätze. Das Ergebnis:

• 53 Sätze schreiben eine Lösung vor, 38 nennen ein Merkmal, 5 nennen eine Funktion.
• In den beiden Liefervorschriften ließen sich ca. 73 % der Sätze als Funktion schreiben oder an eine Funktion hängen. Rund 27 % der Sätze sind keine Funktion und sollen auch keine werden.
• Die Brücke ist nicht das Umschreiben, sondern eine Rückfrage an den vorhandenen Satz: Was passiert, wenn es fehlt?

Wichtig vorweg: Die vier Texte sind gebräuchliche Dokumente. Die Auszählung ist meine eigene Zuordnung, an ausgewählten Kapiteln. Lesen Sie die Zahlen als Größenordnung. Ziel ist es: Besser machen.

Vier “Anforderungsdokumente”

#

Alle vier Texte sind frei abrufbar und aktuell. Drei sind deutschsprachig “normale Konsumenten”, ein Text stammt aus dem US-Verteidigungsbereich. “Defense”

Die Merkmalsprache ist kein Fehler der Autoren. Sie ist typische Praxis. Der Leitfaden zur Spezifikation von Schaltgerätekombinationen (IEC TR 61439-0) beschreibt die Spezifikation als Festlegung einzelner Eigenschaften.

Die Auszählung

#

1. Lösungsvorgaben überwiegen: 53 von 109 Sätzen (49 %).
2. Merkmale folgen mit 38 (35 %),
3. Funktionen kommen auf 5 (5 %).

Die Grenze zwischen Lösung und Merkmal ist unscharf. Vier Beobachtungen halte ich trotzdem für belastbar:

• Merkmale ohne Messgröße. Bei AfBN sind mindestens 9 der 17 Merkmale Schlagworte ohne Zahl, etwa zu Baugröße und Betriebssicherheit.
• Der Zweck steht im Nebensatz. Wo ein Grund genannt wird, nennt er die Funktion: Verschmutzungsgefahr (Wieland), Energieeffizienz (Hirschmann), kein Staubeintrag über die Bodenlüftung (AfBN).
• Die fünf Funktionssätze: Temperatur überwachen und melden, Störung des Kühlgeräts melden (Hirschmann), Kühlung für 40 °C Umgebung bemessen (Wieland), Belüftung bei Nennlast und Schall auf Grenzwert mindern (UFGS).
• Der US-Text liegt am nächsten am Zielmuster. 2 von 6 Sätzen sind Tätigkeit plus Grenzwert.

Das Zielmuster in einem Absatz

#

Eine Funktion nennt, was geleistet werden muss. Ich schreibe sie nach einem festen Muster:

Zustand · Bedingung · Verbindlichkeit · Träger · Wirkverb · Fluss · von Quelle an Senke

Beispiel: „Im Betribszustabd ON: Wenn ein Kurzschluss vorliegt, muss der Schaltschrank elektrische Energie von der Einspeisung an die Verbraucher sperren.“

Das Wirkverb kommt aus einer geschlossenen Liste von 16 Verben in fünf Grundoperationen. Die fünf Grundoperationen können jede Funktion beschreiben. Ein Verb kommt nur hinzu, wenn eine Ausprägung nachweislich fehlt:

Drei weitere Bausteine hängen an der Funktion. Das Merkmal misst sie. Die Lösung realisiert sie. Der Kontext nennt die Randbedingungen, unter denen sie gilt. Der Kennwert IP 54 ist ein Merkmal, die Türdichtung eine Lösung, die Hallentemperatur Kontext.

Das von mir verwendete Muster basiert auf Standards, die ich erweitert habe:

• IREB. Der Lehrplan zum Certified Professional for Requirements Engineering (CPRE), Foundation Level, unterscheidet funktionale Anforderungen, Qualitätsanforderungen und Randbedingungen. Er führt Satzschablonen als feste Satzstruktur für einzelne Anforderungen.
• SOPHIST. Die Satzschablone für funktionale Anforderungen nennt Verbindlichkeit, Art der Funktionalität, Objekt und ein präzises Vollverb. Für nicht-funktionale Anforderungen gibt es eigene Schablonen.
• INCOSE. Der Guide to Writing Requirements verlangt in Regel R31, eine Lösung nur mit Begründung vorzugeben.

Mein Muster fügt 4 Angaben hinzu:

1. den Betriebszustand
2. den Fluss
3. seine Quelle und
4. seine Senke.

Dazu kommt die geschlossene Verbliste.

Warum der Schritt schwerfällt: Ursachen

#

Ich gewichte Ursachen, weil die Reihenfolge der Maßnahmen davon abhängt.

1. Nicht jeder Satz ist eine Funktion. Rund 27 % der Sätze in den Liefervorschriften haben keinen Fluss. Wer versucht, die Vorschriften in das Satzmuster zu zwingen, scheitert.

Die (fälschliche) Schlussfolgerung daraus: Das Muster taugt nicht. Diese Ursache wiegt am schwersten, weil sie jede Schulung entwertet.

2. Die Funktion versteckt sich hinter einem Kürzel oder einem Bauteil. IP 54 bündelt drei Schutzfunktionen. „Nur berührungssichere Betriebsmittel“ nennt ein Bauteil und meint Isolieren. Ohne Gerüst muss der Autor die Funktion jedes Mal neu finden.
3. Der Autor sieht keinen Gegenwert. Er hat einen Satz, der funktioniert, und soll einen längeren schreiben.

Zu jeder Ursache folgt eine Maßnahme. Am Ende steht eine Prüfung, ob die Maßnahmen wirken.

Die Brücke: drei Fragen je vorhandenem Satz

#

Der Autor schreibt weiter, was er kennt, und beantwortet je Satz drei Fragen. Nur die zweite Frage ist neu für ihn.

1. Was ist das? Ein (messbarer) Wert, ein Bauteil, eine Tätigkeit des Lieferanten, ein Verweis oder ein Tun des Schranks.
2. Umkehrprobe, nur bei Messwert und Bauteil: Was passiert, wenn es fehlt oder wenn es schlechter ist? Die Antwort nennt, was wohin gelangt oder nicht mehr gelangt. Das sind Fluss, Quelle und Senke.
3. Einhängen: Der Wert wird Merkmal an dieser Funktion, das Bauteil wird Lösung. Nennt die Antwort einen Ort statt eines Flusses, ist es ein Merkmal mit Kontextbezug. Bleibt Frage 2 ohne Antwort, ist es keine Funktion.

Beispiel: IP 54 fehlt. Dann gelangt Staub in den Innenraum. Funktion: Innenraum gegen Staub abdichten. Merkmal: erste Kennziffer mindestens 5.

Zweites Beispiel: Der Schrank ist höher als 2200 mm. Dann passt er nicht in den Raum. Die Antwort nennt keinen Fluss, aber einen Ort. Die Höhe ist ein Merkmal mit Kontextbezug.

Die Umkehrprobe ist Fehlerdenken. Wer die Fehlermodi- und Effektanalyse (FMEA) kennt, dem fällt das leichter.

Zwölf Sätze, umgeschrieben

#

Zwölf typische Sätze lassen sich mit den Verben der Liste schreiben. Der gewohnte Wert wandert unverändert in die Spalte Merkmal.

Drei Muster wiederholen sich. Ein Kürzel bündelt mehrere Funktionen (Zeile 1). Ein Bauteil-Kennwert ist ein Merkmal der Funktion, die das Bauteil realisieren muss (Zeilen 7, 8, 12). Die Umschrift legt fehlende Werte offen (Zeilen 2, 3, 12).

Die Vorlage: erst der gewohnte Satz, dann die Funktion

#

Niemand muss eine Funktion erfinden, wenn die Vorlage sie schon enthält. Jedes Kapitel zeigt zuerst den gewohnten Satz als Information und direkt darunter die Funktion mit ihren Merkmalen. Der Leser erkennt seinen Satz wieder und sieht, wohin der Wert gewandert ist.

Aufbau je Kapitel: Überschrift, Information, Funktion, Merkmale. In einem echten Projekt steht in der Information der Originalsatz des Auftraggebers. Hier steht er sinngemäß aus den vier Quellen.

„Wert fehlt“ heißt: Die Quellen fordern die Eigenschaft ohne Zahl. Instandhaltung und Transport sind eigene Betriebszustände. Wer sie nennt, findet die Funktion hinter Servicesteckdose und Transportöse von selbst.

Zwei Entscheidungen stecken in der Vorlage. Für Schild und Farbe steht kennzeichnen (Zeilen 14, 19, 20): Ein Schild sendet nichts, es hält eine Information ablesbar. Wer sie liest, steht im Zweck der Funktion, nicht im Satz. Die Außenmaße hängen an Zeile 10: innen der Platzbedarf der Betriebsmittel, außen die Grenze des Bauraums.

Was keine Funktion ist

#

Rund 27 % der Sätze in den beiden Liefervorschriften haben keinen Fluss: bei Hirschmann 11 von 37, bei Wieland 6 von 27. Sie gehören in die Spezifikation, aber nicht in das Funktionsmuster.

Drei Anker, die Elektrokonstrukteure schon haben

#

• Quelle und Ziel am Kabelschild. Wieland verlangt an jedem Kabelende die Bezeichnung von Quelle und Ziel. „Von Quelle an Senke“ ist dieselbe Angabe, eine Ebene höher.
• Kennbuchstaben nach Aufgabe. Die Referenzkennzeichnung nach IEC 81346-2 ordnet Bauteile nach Zweck oder Aufgabe. Seit der Ausgabe 2019 bilden die Eingangsklassen laut Normbeschreibung die inhärente Funktion des Objekts ab. Der Buchstabe liefert das Verb.
• Leistungsspezifikation. Im US-Wehrbereich ist die Trennung amtlich. Die Leistungsspezifikation nennt geforderte Ergebnisse und Prüfkriterien, die Detailspezifikation schreibt Werkstoff und Bauweise vor.

Die Kennbuchstaben klassifizieren Bauteile, also Lösungen. Die Funktion steht eine Ebene höher. Der Buchstabe hilft trotzdem, weil er dem Autor das Verb liefert.

Der Gegenwert für den Autor

#

Aus einem Funktionssatz lassen sich die Fehlerarten ableiten. Jede Angabe im Satz wird einmal verneint. Jedes Merkmal wird einmal verletzt.

Funktion: „Wenn ein Kurzschluss vorliegt, muss der Schaltschrank elektrische Energie von der Einspeisung an die Verbraucher sperren.“ Merkmal: Ausschaltvermögen ≥ 10 kA.

Entfernung des “pain in the behind”

#

FMEA ist typischerweise ein “pain in the behind”, und wird als Formalakt erstellt, wenn das Gerät auf dem Hof steht. Durch die Änderung des Wordings und der Bearbeitung “fällt es dann aus der Beschreibung und kann das tun woz sie ursprünglich entwickelt wurde: Echten Mehrwert bringen.”

Die Erstellung einer FMEA und das Herausfinden “wie kann das schiefgehen* ist durch die Verneinung einfach und muss nicht mehr geraten werden.

Aus „Schaltvermögen mindestens 10 kA“ allein folgt nur die letzte Zeile. Die ersten vier stehen in keiner Merkmalliste.

Eine Regel hält die Liste kurz: „Zu wenig“ oder „nur teilweise“ ist keine eigene Fehlerart der Funktion. Es ist ein Merkmal außerhalb seiner Grenze und steht dort genau einmal.

Der zweite Gegenwert steht schon in den Tabellen oben. In den zwölf Beispielen fehlte dreimal ein Wert, den das Original stillschweigend voraussetzt: der Grad des Berührungsschutzes, die Hallentemperatur, der Übergangswiderstand. Die Merkmalliste hat diese Lücken nicht gezeigt. Die Funktion zeigt sie, weil ein Merkmal ohne Wert an ihr sichtbar leer bleibt.

Der dritte Gegenwert ist die Wiederverwendung. Eine Funktion nennt kein Bauteil. Sie gilt für den nächsten Schrank unverändert, nur Merkmale und Lösung ändern sich. Die Tabellen oben zeigen es: IP 54 und die Platzreserve stehen bei Hirschmann und bei Wieland, und beide Sätze hängen an derselben Funktion.

Die Prüfung: wirkt es oder nicht

#

Ob die drei Maßnahmen wirken, lässt sich an einem Vormittag prüfen. Zwei Autoren aus der eigenen Konstruktion nehmen 20 Sätze aus der eigenen Liefervorschrift. Vorab entsteht eine Musterlösung.

Zielwert und Abbruch lege ich vorher fest. Mein Vorschlag:

• Zielwert: mindestens 16 von 20 Sätzen richtig sortiert und eingehängt.
• Abbruch: Bei weniger als 12 von 20 liegt die Ursache nicht im Sortieren und nicht im fehlenden Gerüst. Dann zurück in die Diagnose.
• Gegenwert: Findet die Sitzung in 20 Sätzen keinen einzigen fehlenden Wert, ist der Gegenwert nicht belegt.

Wer das entscheiden kann: wer die Liefervorschrift oder das Lastenheft verantwortet. Das ist die Leitung der Elektrokonstruktion oder der Verantwortliche für Anforderungen beim Auftraggeber. Nur er kann die Vorlage verbindlich machen.

Was es kostet, nichts zu tun:

• Fehlende Werte bleiben unsichtbar, bis der Lieferant nachfragt oder falsch rät.
• Eine Merkmalliste hat kein Ende, an dem sich Vollständigkeit prüfen ließe. Eine Funktionsliste lässt sich gegen die Flüsse über die Systemgrenze prüfen.
• Die Fehleranalyse beginnt bei jedem Projekt neu, weil ihr Ausgangspunkt, die Funktion, nirgends steht.

Was dagegen spricht

#

• Flussdenken ist nicht der natürliche Einstieg. In einer Studie der Purdue University waren Baumdiagramme bei Industrieingenieuren die häufigste Form (44 %), Flussdiagramme kamen auf 15 %. Die Vorlage ist deshalb ein Baum: Kapitel, Funktion, Merkmal. Quelle und Senke stehen im Satz, niemand muss ein Flussbild zeichnen.
• Der Nutzen für das Entwurfsergebnis ist nicht belegt. Dieselbe Studie fand keinen Zusammenhang zwischen Funktionszerlegung und Entwurfsqualität. Belegbar ist der Gegenwert oben: Fehlende Werte werden sichtbar.
• Ein Verb hat gefehlt. Für Schild und Farbe stand in der ersten Fassung „senden“. Das trägt nicht, denn ein Schild hat keinen Sendekanal. Die Liste hat deshalb ein sechzehntes Verb bekommen: kennzeichnen. Weitere Lücken sind möglich.
• Maße messen den Platzbedarf, nicht die Funktion. Außenhöhe und Außentiefe hängen an der Haltefunktion (Vorlage, Zeile 10), wie die Platzreserve. Das dehnt den Begriff Merkmal.
• Der Zweck der Farbe ist eine Annahme. Nur AfBN nennt das Gesamtbild als Grund. Hirschmann und Wieland nennen keinen.
• Beleuchtung. Das Muster nennt die Zielform Licht nicht (Vorlage, Zeile 13). Das ist eine offene Stelle.
• Begrenzen statt null. Die IP-Kennziffer 5 lässt Reststaub zu, die Schalldämmung einen Restpegel. Die Verben abdichten und sperren meinen streng genommen null. Die Restmenge steht deshalb als Merkmal.
• Hochschule statt Betrieb. Alle Lehrstudien stammen aus dem Hochschulumfeld. Sie stützen die Richtung, nicht die Wirkung in Ihrer Konstruktion. Dafür ist die Prüfung oben da.

Belege

#

Quellen

#

Im Volltext gelesen:

• Hirschmann Automotive, Technische Liefervorschrift E07, Elektrische Anlagen und Steuerungen
• Wieland-Werke, Liefervorschriften Kapitel B Teil 1, Elektrische Ausrüstung für Maschinen und Anlagen (bis Abschnitt 4.8)
• Amt für Betrieb Nationalstrassen, Technische Spezifikation Nr. 22, Schaltgerätekombinationen
• UFGS 26 32 15, Engine-Generator Set Stationary 15–2500 kW (bis Abschnitt 2.1.11)
• IHK Region Stuttgart, Referenzkennzeichnung nach DIN EN IEC 81346-2:2020-10
• Booth, Bhasin, Reid, Ramani: Empirical Studies of Functional Decomposition in Early Design, 2015
• Abbott, Lough: Component Functional Templates as an Engineering Design Teaching Aid, 2007

Nur in Auszügen gelesen:

• Defense Standardization Program, Fragen und Antworten zu Performance Specifications und MIL-STD-961D, Abschnitt 4.1
• Easy Approach to Requirements Syntax, Überblick und Webinar mit Alistair Mavin
• Hirtz u. a.: A Functional Basis for Engineering Design, 2002
• DIN EN IEC 61439-1 Beiblatt 1, Leitfaden für die Spezifikation von Schaltgerätekombinationen (Inhaltsangabe)
• EN IEC 81346-2:2019, Normbeschreibung
• IREB, CPRE Foundation Level, Lehrplan 3.2.0 (Abschnitte 1.1 und 3.3)
• SOPHIST Blog: MASTeR unter der Lupe und Anforderungen richtig formulieren
• INCOSE, Guide to Writing Requirements V4, Summary Sheet

Image by Harry Strauss from Pixabay