Titelaufnahme
Titelaufnahme
- TitelA design pattern-based approach for the guided model-based reuse of safety-critical system solutions in the automotive domain / von Maged Khalil ; Referent: Prof. Dr.-Ing. Roman Dumitrescu, Ko-Referent: Prof. Dr. Andreas Vogelsang
- Autor
- Gutachter
- Erschienen
- Umfang1 Online-Ressource (VIII, 285 Seiten) : Illustrationen, Diagramme
- HochschulschriftUniversität Paderborn, Dissertation, 2026
- AnmerkungTag der Verteidigung: 24.04.2026
- Verteidigung2026-04-24
- SpracheEnglisch
- DokumenttypDissertation
- Schlagwörter (GND)
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Klassifikation
Zusammenfassung
Die Wiederverwendung betriebsbewährter Lösungen – etwa von Sicherheitsmechanismen oder Architekturdesigns – ist in der Entwicklung sicherheitskritischer Systeme weit verbreitet, um das Vertrauen in das Design zu erhöhen, den Entwicklungsaufwand zu reduzieren und die Einhaltung von Anforderungen zu fördern. Dennoch erfolgt diese Wiederverwendung nach wie vor weitgehend ad hoc und opportunistisch, da es an Prozessreife, strukturierten Anleitungen und geeignete Werkzeugunterstützung mangelt. Hinzu kommt das Fehlen expliziter Kriterien zur Bewertung von Vollständigkeit, Qualität und Reife der Wiederverwendung, was eine Bestimmung der tatsächlichen Wirkung und Effektivität entsprechender Aktivitäten erschwert. Diese Dissertation entwickelt ein modellbasiertes Vorgehen zur systematischen Unterstützung der Wiederverwendung sicherheitskritischer, softwareintensiver Systemlösungen in der Praxis. Im Zentrum stehen die strukturierte Erhebung, Erfassung und Modellierung aller für eine korrekte Wiederverwendung erforderlichen Informationen – integriert in jene in der industriellen Praxis genutzten Werkzeuge und Artefakte. Daraus entsteht ein industrietaugliches Rahmenwerk, das eine konsistente und kontextbewusste Wiederverwendung im Entwicklungsalltag ermöglicht. Auf Basis der nutzerzentrierten Prinzipien von Design Patterns (Entwurfsmuster, im Folgenden kurz „Patterns“) wird eine modulare, modellbasierte Pattern-Bibliothek definiert, die Entwicklungsartefakte und strukturierte Argumentationselemente verbindet und zusammen mit geführten Anweisungen in einem holistischen Ansatz integriert. Am Beispiel von Sicherheitsmechanismen im Automotive-Bereich wird hierfür eine wiederverwendbare Pattern-Vorlage entwickelt und in zwei Umgebungen instanziiert: einer domänenunabhängigen Forschungsplattform sowie einem automobilen Modellierungsrahmenwerk. Die Methodik wird anschließend verallgemeinert und in einer mehrjährigen industriellen Langzeitfallstudie bei einem weltweit führenden Tier-1-Automobilzulieferer auf ein breit angelegtes Wiederverwendungsproblem angewandt. Eine systematische Expertenbefragung sowie werkzeuggestützte Reifegradbewertungen validieren die Wirksamkeit und Praxistauglichkeit des Ansatzes. Die modellbasierte Erfassung von Patterns innerhalb ihres praktischen Kontexts bietet mehrere wesentliche Vorteile: sie verbessert die Charakterisierung des Problemraums, ermöglicht eine präzisere und praxisnähere Beschreibung der Wiederverwendungsschritte und stärkt die Abstimmung relevanter interdisziplinärer Artefakte – wodurch die Ko-Evolution von Systemdesignartefakten und Artefakten anderer Disziplinen (z. B. Sicherheitsnachweisen) gefördert wird. Zudem bietet der Ansatz einen Mechanismus zur systematischen Bewertung der Wiederverwendungseignung von Werkzeugketten als auch zur gezielten Identifikation und Schließung methodischer sowie werkzeugspezifischer Lücken. Die Beiträge dieser Arbeit umfassen eine neuartige Operationalisierung von Design Patterns, ein domänenübergreifend anwendbares Wiederverwendungsrahmenwerk sowie validierte Leitlinien für Organisationen, die Wiederverwendung im industriellen Maßstab systematisch etablieren möchten, und sind somit sowohl für die Wissenschaft als auch für die Praxis von Relevanz.
Abstract
The reuse of proven technical solutions – such as Safety Mechanisms or architecture designs – is widely practiced in safety-critical systems engineering to improve design confidence, reduce development effort, and ensure compliance. However, such reuse remains largely ad hoc and opportunistic; lacking process maturity, structured guidance, or adequate tool support. In particular, the absence of explicit criteria for completeness, quality and maturity hinders the evaluation of reuse efforts. This thesis introduces a structured, model-based approach for enabling systematic and context-aware reuse of system solutions. Central to the approach – and contrary to related work – is the focus on systematically capturing all reuse-relevant information in the exact artifacts and tools they will be reused with in practice. Using Safety Mechanisms in the automotive domain as a representative class of solutions, a reusable design pattern template is developed and validated. Building on the user-centric principles of Design Patterns, the approach defines a modular Model-Based Pattern Library, which integrates both development artifacts and structured argumentation elements. The approach supports both reuse designers and users through tailored workflows, and is instantiated in two development environments: a domain-independent research platform and a domain-specific automotive modeling framework. The methodology is further generalized and applied to a large-scale automotive system solution reuse problem in a longitudinal industrial case study at a globally leading automotive Tier 1 supplier across multi-year iterative cycles, with proven positive impact validated through tool-supported maturity evaluations and a systematic expert survey. The model-based representation of patterns within their practical context yields several key advantages: improved characterization of the problem space; a more natural and direct expression of reuse transformations; and a stronger alignment between the cross-disciplinary artifacts necessary for correct reuse – facilitating the co-evolution of system design and other discipline work products, such as safety assurance artifacts. Importantly, the approach provides a mechanism for assessing and improving the reuse readiness of toolchains, supporting prioritized targeted gap closure, capability extension and adoption decisions. The contributions of this work are both theoretical and practical: a novel operationalization of design patterns, a reusable framework applicable across domains, and validated guidance for organizations seeking to scale solution reuse systematically and effectively. The resulting insights not only validate the proposed methodology but also offer actionable guidance for organizations striving to scale reuse effectively in complex, real-world engineering environments.
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