Daniel Schneider

Einleitung zum Qualitätsmodell

Neben den funktionalen Eigenschaften eines Systems spielt stets auch die Qualität eine zentrale Rolle. Dies gilt insbesondere für Anwendungsdomänen wie AAL in denen Menschen sich in hohem Maße auf die eingesetzten Systeme verlassen. Ein erster Schritt zur Gewährleistung relevanter Qualitäten ist die Schaffung eines gemeinsamen Verständnisses bezüglich der Beschaffenheit dieser Qualitäten. Dieser Artikel stellt den Einstiegspunkt zu einem entsprechenden Qualitätsmodell dar, welches einen groben Überblick zu relevanten Qualitäten für AAL Systeme gibt.

Inahlt

OptimAAL-Qualitätsmodell

Das Qualitätsmodell im Systemlebenszyklus

Stakeholder des Qualitätsmodells

Konzeption von Qualitätsmodellen

Struktur des Qualitätsmodells

Beschreibung von Qualitätsattributen

Relevante Arbeiten zum Thema Qualität von AAL-Anwendungen

Fazit

Literatur

Gerade in relativ jungen Anwendungsgebieten wie AAL ist es wichtig, dass die beteiligten Interessensgruppen neben den funktionalen Aspekten vor allem auch bei den erforderlichen Systemqualitäten ein gemeinsames Verständnis entwickeln. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn Teillösungen aus verschiedenen Anwendungsfeldern und von verschiedenen Anbietern zu stimmigen Gesamtlösungen integriert werden sollen. Dabei gilt es im Einzelfall Fragen wie die folgenden zu klären:

• Wie oft darf das System ausfallen?
• Kann ein Fehlverhalten des Systems zu einem Schaden führen?
• Mit welchen motorischen Einschränkungen muss das System noch bedienbar sein?
• Wieviel Zeit darf zwischen dem Absetzen einer Nachricht und der entsprechenden Reaktion des Systems vergehen?
• Wieviel Speicher darf eine Komponente im schlimmsten Fall bei der Abarbeitung einer Aufgabe belegen?
• In welchem Maße muss das System an Änderungen in der Umgebung anpassbar sein?
• Welchen Angriffen von Fremdsystemen, muss das System wie lange standhalten?
• Wann verliert der Durchschnittsnutzer das Vertrauen / die Akzeptanz in das System?

Solche Fragen werden bei Entwicklungsvorhaben allzu oft nur oberflächlich oder gar nicht beantwortet. Zugegebenermaßen gestaltet sich die Beantwortung der Fragen mitunter auch schwieriger als erwartet.

Ohne hinreichende Klärung werden im günstigen Fall die Diskrepanzen zwischen erbrachter und erforderlicher Qualität beim Integrations- oder Systemtest festgestellt und führen zu kostspieligen Überarbeitungen; es kommen jedoch keine Menschen zu Schaden. Dies wird aber bei AAL und den angedachten Unterstützungsfunktionen jedoch nicht immer der Fall sein.

Um ein breiteres Bewusstsein und Verständnis für die erforderlichen AAL-Systemqualitäten zu schaffen, geben die folgenden Beiträge einen Überblick zu:

• existierende Arbeiten zum Thema Qualität von AAL-Anwendungen
• einem im Projekt entwickelten Qualitätsmodell für AAL-Anwendungen, welches einen strukturierten Überblick über relevante Qualitäten und weiterführende Quellen gibt.

OptimAAL-Qualitätsmodell

Im Rahmen von Entwicklungsvorhaben spielt Qualität stets eine zentrale Rolle. Dies ist im besonderen Maße auch im AAL-Umfeld der Fall, da hier die Verlässlichkeit und Vertrauenswürdigkeit der eingesetzten Systeme von übergeordneter Wichtigkeit ist.

Dabei kann sich Qualität generell sowohl auf die zum Einsatz kommenden Prozesse als auch auf die resultierenden Produkte beziehen. Um die Spezifikation, Realisierung und Absicherung der erforderlichen Qualitäten zu unterstützen, wurden in den verschiedenen technischen Disziplinen entsprechende Qualitätsmodelle entwickelt. Diese konzentrieren sich entweder auf die Produktqualität (z.B. ISO/IEC 9126 [5], ISO/IEC 14598 [7] oder die neue ISO/IEC 25000 SQuaRE [6]) oder auf die Prozessqualität (z.B. die EN ISO 9000 Reihe). Darüber hinaus konzentrieren sich Qualitätsmodelle üblicherweise auf bestimmte Anwendungszwecke wie zum Beispiel Charakterisierung [1], (Prozess-)Verbesserung [2] oder Vorhersage [4]. Ein entsprechender Überblick zu bestehenden QMs wurde von Klaes et al. in [12] publiziert.

Der Begriff des Qualitätsmodells kann wie folgt definiert werden:

Qualitätsmodelle beschreiben die kausalen Beziehungen zwischen nicht greif-baren Sichten auf Qualität und greifbaren Maßnahmen. Es setzt sich aus verbundenen und hierarchisch geordneten Qualitätsaspekten zusammen, die schlussendlich auf entsprechende Maße führen [3].

Das auf dieser Plattform beschriebene Qualitätsmodell konzentriert sich auf die Produktqualität und soll vor allen Dingen einen Einstiegspunkt zur Qualitätssicherung von AAL Produkten darstellen. Abgesehen von der Qualitätssicherung bei der Produktentwicklung ist im AAL-Kontext insbesondere die Gebrauchstauglichkeit und die Interoperabilität zwischen AAL Geräten verschiedener Hersteller und die Qualitätssicherung bei dynamischen Änderungen am System (durch z.B. Integration oder Rekonfiguration) ein wichtiges Ziel, welches durch Qualitätsmodelle unterstützt werden kann.

Langfristig sollte ein Qualitätsmodell für die AAL Domäne:

1. Im Rahmen eines Entwicklungsprozesses die Spezifikation von Qualitätsanforderungen, deren Überprüfung und Verbesserung unterstützen;
2. Grundlagen für Produktabsicherung und -zertifizierung schaffen;
3. Mit Hinblick auf offene AAL Systeme essentielle Interoperabilitätsstandards um Qualitätseigenschaften erweitern und damit letztlich Qualitätssicherungsmaßnahmen zur Laufzeit bei dynamischen Änderungen im System ermöglichen.

Das hier vorgestellte Qualitätsmodell geht einen ersten Schritt in diese Richtung und hegt nicht den Anspruch auf Vollständigkeit. Vielmehr geht es darum, den unterschiedlichen Interessensgruppen einen ersten Einstiegspunkt bezüglich (Software-)Qualität in AAL-Systemen zu geben.

In seiner Struktur orientiert sich das hier beschriebene Qualitätsmodell stark an den gängigen Standards ISO/IEC 9126 und dem neueren ISO/IEC 25000 SQuaRE. Die einzelnen Qualitätsaspekte sind aus dem aktuellen Stand der Technik und aus konkreten Erfahrungen in der AAL Domäne abgeleitet.

Das Qualitätsmodell im Systemlebenszyklus

Im Kontext von Entwicklungsvorhaben sind Qualitätsmodelle in praktisch allen typischen Phasen von Bedeutung:

Anforderungsanalyse: Formalisierung von Qualitätsbezogenen Anforderung. Kommunikation zwischen Entwicklern und Kunden. Formulierung von Abnahmekriterien.

Design und Implementierung: Zur Sicherstellung der im Pflichtenheft geforderten Qualität müssen geeignete Maßnahmen designt und implementiert werden. Dies kann ein Herunterbrechen übergeordneter Qualitätsanforderungen auf feingranularere Anforderungen hinsichtlich einzelner Komponenten beinhalten. Zur Qualitätssicherung können in diesen Phasen generell Maßnahmen zur Verifikation angewandt werden. Weitere Information zur Qualitätssicherung im Rahmen von Entwicklungsvorhaben sind unter anderem in [3] ausführlich beschrieben.

Systemintegration: Angefangen bei einzelnen Systemkomponenten über schrittweise Integration muss gegen entsprechende Qualitätsanforderungen validiert werden. Auch zu diesem Thema bietet [3] weiterführende Informationen an.

Abnahme: Zur Systemabnahme ist generell eine Validierung gegen die ursprünglichen Anforderungen notwendig. Im Falle der Qualität ist das nicht für alle Aspekte möglich, zur Zertifizierung von Betriebssicherheit (Safety) zum Beispiel wird eine ausführliche dedizierte Dokumentation aller zur Erreichung der Safety-Ziele getroffener Maßnahmen benötigt.

Installation/Konfiguration/Wartung: Gerade im AAL Bereich ist es unabdingbar, Systeme auf die konkreten Bedürfnisse der Nutzer Maßzuschneidern. Die dazu Notwendigen Anpassungen bleiben hinsichtlich der Systemqualitäten natürlich nicht ohne Auswirkung. Daher ist es wichtig Qualität für den Konfigurator explizit zu machen.

Laufzeit: Auch zur Laufzeit kommt es in AAL-Systemen zu Änderungen, sei es aufgrund von dynamische Integration neuer Komponenten, geänderte Nutzeranforderungen oder Fluktuationen in der Verfügbarkeit von Ressourcen. In jedem Fall muss gewährleistet sein, dass Qualitätsanforderungen eingehalten werden. Zu diesem Zweck ist es unabdingbar, dass Qualitätsinformationen in formalisierter Form vorliegen, so dass sie vom System autonom ausgewertet werden können.

Stakeholder des Qualitätsmodells

Ferner hat ein Qualitätsmodell für die verschiedenen Stakeholder innerhalb eines Entwicklungsvorhabens unterschiedliche Bedeutung:

Anwender: Profitieren offensichtlich direkt von einer möglichst hohen Produktqualität.

Systemanbieter/-integratoren: Die Integration von Geräten verschiedener Hersteller durch Dritte wird durch klare und auf einem gemeinsamen Qualitätsmodell basierenden Spezifikationen (und ggf. Zertifizierung) der Qualitäten erleichtert. Auf Basis solcher Spezifikationen kann auch eine Aussage über die Qualität des integrierten Systems gemacht werden. Letztlich darf Interoperabilität also nicht nur auf die Funktion bezogen sein sondern muss auch die jeweiligen Qualitäten berücksichtigen.

Dienstleister: Für den Dienstleister ist das vom Nutzer in die angebotenen Dienste gesetzte Vertrauen von enormer Bedeutung. Dieses Vertrauen ist stark von Garantien hinsichtlich der Qualität abhängig. Darüber hinaus wird es im AAL Bereich, ähnlich wie im medizintechnischen Bereich (Medizinproduktegesetz), in Zukunft wahrscheinlich Standards und/oder Gesetze geben, die eingehalten werden müssen. In beiden Fällen muss die Produktqualität explizit gemacht werden.

Anwendungs-/Dienstentwickler und Gerätehersteller: Im Rahmen von Entwicklungsvorhaben ist es wichtig Qualitäten durchgängig zu betrachten. Von den Anforderungen bis hin zur Validierung des fertigen Produktes muss Qualität explizit mitbetrachtet werden. Dies beinhaltet klare Spezifikationen der Qualitätsanforderungen eines Systems, deren verfolgbare Umsetzung über die Phasen und Artefakte eines Entwicklungsvorhabens und letztlich die Überprüfung der Einhaltung der Qualitätsanforderungen bei der Validation beziehungsweise Abnahme des Dienstes oder der Applikation.

Zertifizierungsstellen/Standardisierung: Produktzertifizierungen setzen umfassende Dokumentationen und Spezifikationen voraus. Da auch qualitative Aspekte Bestandteil von zukünftigen Zertifizierungen sein werden, ist ein entsprechendes standardisiertes Qualitätsmodell als Grundalge für Produktspezifikationen unabdingbar.

Konzeption von Qualitätsmodellen

Ein Qualitätsmodell hat die grundlegende Aufgabe relevante Qualitäten zu spezifizieren, sie zueinander in Beziehung zu setzen und Faktoren zu bestimmen die diese Qualitäten beeinflussen. Eine einfach konzeptuelle Darstellung dessen was ein Qualitätsmodell spezifiziert ist entsprechend in Abbildung 2 dargestellt.

Als „Faktor im System“ kann jeder Umstand oder Fakt gesehen werden, der einen Einfluss auf die Qualität haben kann. Der „Einfluss“ definiert dann in welcher Art und Weise sich solche Faktoren auf Qualitätseigenschaften auswirken. Ein entsprechendes Beispiel ist der Faktor der konsistenten Nutzung von Elementen die in einem User-Interface enthalten sind. Dies hat einen positiven Einfluss auf die Qualitätseigenschaft Benutzerfreundlichkeit.

Zur Verwendung eines solchen Qualitätsmodells ist es offensichtlich von Vorteil klare und möglichst formale Beschreibungen der einzelnen Elemente und ihrer Abhängigkeiten zu haben. Da dies insbesondere für die Qualitätseigenschaften selbst gilt werden in den unten aufgeführten Artikeln zu einigen zentralen Qualitätseigenschaften Informationen zusammengestellt und in strukturierter Form aufbereitet.

Struktur des Qualitätsmodells

Die Struktur des hier präsentierten Qualitätsmodells leitet sich aus den wesentlichen Standards zur Qualität Softwareintensiver Produkte und aus den spezifischen Bedürfnissen der AAL Domäne ab. Vor diesem Hintergrund wurden die folgenden zentralen Qualitätseigenschaften als Grundelemente des Qualitätsmodells identifiziert:

• Verlässlichkeit: Aufgrund der essentiellen Rolle die AAL Systeme im Leben der betreuten Personen einnehmen muss ein ausreichendes Maß an Verlässlichkeit gewährleistet werden. Dies umfasst zum unter anderem die Betriebssicherheit des AAL Systems. Diese schreibt vor, dass die Sicherheit und Gesundheit des Verwenders oder Dritter bei bestimmungsgemäßer Verwendung oder vorhersehbarer Fehlverwendung eines AAL Systems in ausreichendem Maße gewährleistet sein muss. Da es aber in der Regel keine absolute Sicherheit geben kann wird Betriebssicherheit häufig als die Abwesenheit von Risiken von unakzeptabler Höhe definiert.
• Sicherheit (Security): Nach ISO/IEC 9126 ist Security die Fähigkeit eines Softwareprodukts seine Informationen und Daten so zu schützen, dass nicht-autorisierte Personen oder Systeme diese nicht lesen oder modifizieren können und gleichzeitig autorisierten Personen oder Systemen dieser Zugriff möglich ist.
• Effizienz: Nach ISO/IEC 9126 ist Effizienz das Verhältnis zwischen dem Leistungsniveau der Software und dem Umfang der eingesetzten Betriebsmittel unter festgelegten Bedingungen.
• Wartbarkeit: Die Wartbarkeit bezeichnet gemeinhin die Leichtigkeit mit der ein System verändert oder erweitert werden kann.

Beschreibung von Qualitätsattributen

Generell ist es offensichtlich wichtig für ein Qualitätsmodell, die einzelnen Qualitäten in einer angemessenen Art und Weise zu spezifizieren. In dieser Hinsicht gibt es jedoch keine allgemein etablierte Herangehensweise, weshalb wir uns entschieden haben, relevante Standards und wissenschaftliche Veröffentlichungen als Grundlage zu nehmen. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass in all diesen Quellen die Bezeichnungen von Qualitäten als grundlegende Elemente von Qualitätsmodellen unterschiedlich sind. Konkret wird von Qualitätsaspekten (quality aspects, zB in Quamoco [9]), Qualitätscharakteristika (quality charactersitics, zB in ISO/IEC 25000 SQuaRE [6]), Qualitätseigenschaften (quality properties) und Qualitätsattributen (quality attributes, zB in ISO 9126 [5]) gesprochen. Im Deutschen ist der Begriff der Qualitätseigenschaften am geläufigsten, entsprechend werden wir diesen Begriff verwenden.

Was die Spezifikation von Qualitätseigenschaften angeht, betrachten wir zunächst den Ansatz der im „international standard ISO/IEC 25000 on Software product Quality Requirements and Evaluation (SQuaRE)“ verwendet wurde. Ziel des Standards ist es die Definition von Anforderungen bezüglich der Datenqualität zu ermöglichen, Kriterien zur Messung von Datenqualität festzulegen und bei der Planung und Durchführung von Qualitätsevaluationen zu unterstützen. Konkret kann der Standard zum Beispiel zu folgenden Zwecken eingesetzt werden:

• Definition und Evaluation von Datenqualitätsanforderungen zu Prozessen der Datenerstellung, Datensammlung und Datenintegration
• Identifikation von Kriterien zur Gewährleistung von Datenqualität
• Bewertung der Erfüllung von Qualitätsanforderungen gegenüber relevanter Gesetzgebung oder Standards

Um diese Aufgaben erfüllen zu können umfasst der Standard ein Datenqualitätsmodell und entsprechende Datenqualitätsmaße. Dabei umfasst das Qualitätsmodell eine Menge von fünfzehn unterschiedlichen Qualitätseigenschaften, welche generell von unterschiedlicher Priorität oder Wichtigkeit sein können abhängig vom jeweiligen Projektkontext. Die Datenqualitätsmaße bieten die Grundlage zur Messung und Bewertung der Qualität. Die Spezifikation von Qualitätseigenschaften wird im Standard anhand der folgenden Punkte vorgenommen:

• Name der Qualitätseigenschaft
• Beschreibung der Qualitätseigenschaft
• Beispiele zur Veranschaulichung
• Qualitätsmaße zu der Qualitätseigenschaft
  • Name des Qualitätsmaßes
  • Messfunktion
  • Qualitätsmesselemente

Die Qualitätsmesselemente (QME) haben gleichfalls eine feste Struktur. Sie bestehen aus:

• QME Kategorie: Eine von 15 Kategorien die im Standard definiert sind (z.B:. “Zahl der Defekte”)
• QME Name: Name oder kurze Beschreibung wie zB “Zahl der erkannten Defekte”
• QME ID: Vorgegebenes Kürzel
• Detail: Beschreibung des QME, zB: “Zähle die erkannten Defekte während einer bestimmten Zeit nach dem folgenden Vorgehen: …….”
• Inputs: Informationsquellen (zB: Testbericht, Betriebsbericht, Fehlerbericht ..)
• Dokumentation: Dokumentation der Messung (zB: Liste der angewandten Testfälle, Liste der erkannten Defekte und ihrer Kategorien, …..)
• Mess-skala: Nominal, Ordinal, Interval, Ratio, Absolute (Im Beispiel: ratio)
• Messfokus: intern oder extern (im Beispiel extern)
• Messmethode: Objektiv oder Subjektiv (im Beispiel: Objektiv)
• Benutzt für: Zweck des QME (Im Beispiel: Defektdichte im Rahmen von Testfällen)

Diese Grundstruktur ist nicht nur in den gängigen Standards sondern auch in der Literatur zu finden. Als Beispiele seien an dieser Stelle das Papier von Jureta [11] und eine Publikation des IESE [10] genannt.

Als Fazit halten wir also fest, dass sich die Spezifikation von Qualitätseigenschaften generell aus zwei Kernbestandteilen zusammensetzen sollte. Einerseits eine allgemeine Beschreibung mit Informationen wie Name, Art/Klasse, Beschreibung, Beispielen usw. und andererseits Informationen zur Messung der Qualitätseigenschaft wie zum Beispiel Informationsquellen, Messfunktionen, Einheit, Wertebereich, Messvorschrift usw. Manche Qualitätsattribute sind jedoch rein qualitativer Natur und somit nicht quantifizierbar. Diese werden entsprechend beschrieben.

In den hier aufgeführten Übersichtsartikeln zu den Qualitätseigenschaften haben wir die vorgestellte Grundstruktur übernommen und um einen weiteren Punkt ergänzt. Abgesehen von den beiden beschriebenen Grundelementen der Qualitätsspezifikation werden wir versuchen zu jeder Qualität Ansätze zu deren Verbesserung aufzuführen. Es soll an dieser Stelle nochmals angemerkt sein, dass es aufgrund der grundlegenden Unterschiede zwischen den Qualitätseigenschaften nicht immer sinnvoll ist jeden Aspekt für jede Eigenschaft zu berücksichtigen.

Relevante Arbeiten zum Thema Qualität von AAL-Anwendungen

Im Zuge des Quamoco [9] Projektes wurden unter anderem existierende Qualitätsmodelle untersucht und klassifiziert. Dies wurde insbesondere im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit in spezifischen Anwendungskontexten getan. Somit sind die Ergebnisse ein guter Orientierungspunkt wenn es um Auswahl oder Definition eines geeigneten Qualitätsmodells geht. Eine entsprechende Publikation von Klaes et al. stellt ein umfassendes Klassifikationsschema vor und gibt einen darauf aufbauenden Überblick zur aktuellen Landschaft der Qualitätsmodelle [12].

Des Weiteren gibt es zurzeit Arbeiten im Rahmen der Arbeitsgruppe „Qualitätskriterien“ welche zum Ziel haben das gemeinsame Verständnis für Qualität von AAL-Produkten und AAL-Dienstleistungen zu fördern. Hierzu hat die Arbeitsgruppe ein sogenanntes Whitepaper erstellt. Es dient dem direkten Anwender bzw. privaten wie öffentlichen Dienstleistern von AAL-Produkten zur Orientierung über relevante Qualitätskriterien für den Aufbau einer AAL Umgebung. Herstellern und Kostenträgern dient das White-paper als Orientierung zur Einordnung von Qualitätskriterien mit Hinblick auf ihre Bedeutung im Umfeld von AAL.

Fazit

Der vorliegende Artikel gab eine Motivation zu Qualitätsmodellen im Allgemeinen und eine Einleitung zum auf dieser Webseite vorgestellten OptimAAL Qualitätsmodell. Weitere Artikel auf dieser Webseite beschreiben die einzelnen übergeordneten Qualitätseigenschaften, welche hier im Rahmen der Struktur des QM aufgeführt wurden.

Literatur

[1]	IEEE 1045-1992: Software Productivity Metrics, 1992.
[2]	CMMI for Development, Version 1.2, CMU/SEI-2006-TR-008, Carnegie Mellon University, 2006.
[3]	Liggesmeyer P., Software-Qualität (2.Auflage), Heidelberg, Berlin: Spektrum-Verlag 2009, 526 S., ISBN 3-8274-2056-3
[4]	M. Lyu, “Software Reliability Theory,” in Encyclopedia of Software Engineering, John Wiley & Sons, 2002.
[5]	ISO/IEC 9126-1:2001, Software engineering -- Product quality -- Part 1: Quality model
[6]	ISO/IEC 25012:2008, Software engineering -- Software product Quality Requirements and Evaluation (SQuaRE) -- Data quality model
[7]	ISO/IEC 14598-1:1999, Information technology -- Software product evaluation -- Part 1: General overview
[8]	partner.vde.com: Link
[9]	quamoco.in.tum.de: Link
[10]	Schneider, Daniel; Anastasopoulos, Michalis; Bayer, Joachim; Becker, Martin; Webel, Christian: QoS Specification in Ambient Intelligence Systems. In Proceedings of the IEEE International Conference on Pervasive Services, Workshop on Software Engineering of Pervasive Services (SEPS), Page(s):295 – 300, July 2007.
[11]	Ivan J. Jureta, Caroline Herssens, and Stephane Faulkner: A comprehensive quality model for service-oriented systems. Software Quality Control 17, 1 (March 2009), 65-98.
[12]	Michael Klaes, Jens Heidrich, Jürgen Munch, Adam Trendowicz, "CQML Scheme: A Classification Scheme for Comprehensive Quality Model Landscapes," Software Engineering and Advanced Applications, Euromicro Conference, pp. 243-250, 2009 35th Euromicro Conference on Software Engineering and Advanced Applications, 2009

Autor

Daniel Schneider studierte angewandte Informatik an der technischen Universität Kaiserslautern. Seit Ende 2004 arbeitet er am Fraunhofer IESE als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich eingebetteter Systeme. Seine Forschungsarbeit konzentriert sich auf offene adaptive Systeme und Betriebssicherheit (Safety).