V-Modell

Grundidee und Aufbau

Das V-Modell ist ein Vorgehensmodell bzw. Prozessreferenzmodell, das ursprünglich für die Softwareentwicklung entwickelt wurde. Es ordnet den Entwicklungsprozess ähnlich wie das Wasserfallmodell in Phasen. Zusätzlich beschreibt es aber auch die Qualitätssicherung durch Tests: Den Entwicklungsphasen auf der linken Seite werden passende Testphasen auf der rechten Seite gegenübergestellt.

Links beginnt der Prozess mit einer funktionalen oder fachlichen Spezifikation. Diese wird immer genauer ausgearbeitet, bis daraus eine technische Spezifikation und schließlich die Grundlage für die Implementierung entsteht. In der Spitze des V erfolgt die Implementierung. Danach wird auf der rechten Seite geprüft, ob das Ergebnis zu den jeweiligen Spezifikationen der linken Seite passt. Dadurch entsteht die typische V-Form: Entwicklungsebenen und Testebenen stehen einander gegenüber.

In der Literatur werden Anzahl und Namen der Phasen unterschiedlich dargestellt. Entscheidend ist aber immer die 1:1-Gegenüberstellung von Entwurfs- und Teststufen. Die Prozesse des V-Modells können mit einem Prozessbewertungsmodell bewertet werden, zum Beispiel nach der ISO-33000-Familie. Eine Umsetzung dieser Norm ist Automotive SPICE. Das V-Modell ist nicht mit dem Verfügbarkeitsmodell zu verwechseln, das ebenfalls als „V-Modell“ abgekürzt werden kann.

Entstehung

Das Vorgehen wurde 1979 von dem US-amerikanischen Softwareingenieur Barry Boehm vorgeschlagen. Es basiert auf dem Wasserfallmodell. Wie dort gelten die Ergebnisse einer Phase als verbindliche Vorgaben für die nächste, tiefer liegende Projektphase.

Der linke, nach unten führende Ast enthält die Spezifizierungsphasen und endet mit der Realisierungsphase. Die Erweiterung gegenüber dem Wasserfallmodell besteht in den danach folgenden Testphasen, die im rechten, nach oben führenden Ast dargestellt werden. Jeder spezifizierenden Phase ist eine testende Phase zugeordnet. Diese Zuordnung soll eine möglichst hohe Testabdeckung erreichen, weil die Spezifikationen der einzelnen Entwicklungsstufen als Grundlage für die Testfälle der passenden Teststufen dienen.

Einsatz in Entwicklungsprojekten

Das allgemeine V-Modell dient als Grundlage für Entwicklungsstandards. Ein Beispiel ist das V-Modell als Entwicklungsstandard der öffentlichen Hand in Deutschland.

Seit spätestens 2004 wird das V-Modell auch über klassische Softwareentwicklung hinaus in Entwicklungsprozessen eingesetzt. Besonders wichtig ist dies bei mechatronischen Systemen, also Systemen, in denen mechanische, elektrische und informationstechnische Komponenten zusammenwirken. Die zunehmende Integration dieser Komponenten erhöht die Komplexität solcher Produkte. Deshalb empfiehlt die Richtlinie VDI/VDE 2206 das V-Modell als Teil der „Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme“.

Mechatronische Systeme

Bei der Entwicklung mechatronischer Systeme beginnt der Prozess meist mit einer konkreten Anforderung oder einer Anforderungsliste in Form eines Entwicklungsauftrags. Diese Anforderungen sind zugleich der Maßstab, an dem das spätere Produkt bewertet wird.

Im Systementwurf wird die Gesamtfunktion des Systems oder Produkts in Teilfunktionen zerlegt. Danach wird das Lösungskonzept meist getrennt in den einzelnen Fachdisziplinen, auch Domänen genannt, konkretisiert. Die Lösungen der einzelnen Disziplinen werden anschließend in der Systemintegration zu einem Gesamtsystem verbunden. Dabei wird untersucht, wie die Teile zusammenwirken.

Während des gesamten Prozesses findet Eigenschaftsabsicherung statt. Das bedeutet: Der aktuelle Entwurf wird fortlaufend mit den spezifizierten Anforderungen verglichen. So soll sichergestellt werden, dass die gewünschten Eigenschaften und die tatsächlichen Eigenschaften übereinstimmen. Rechnergestützte Modellierung und Simulation können den Prozess unterstützen.

Das Ergebnis eines Zyklus im V-Modell ist ein „Produkt“. Dabei kann es sich auch um einen bestimmten Reifegrad des geplanten Endprodukts handeln, zum Beispiel ein Funktionsmuster, einen Prototyp oder ein Vorserienmuster. Das V-Modell ist in diesem Zusammenhang ein iterativer Prozess: Es kann mehrfach durchlaufen werden und nähert sich schrittweise der endgültigen Lösung an.

Datenstruktur und Rückverfolgbarkeit

Das V-Modell kann nicht nur als Prozessmodell genutzt werden, sondern auch als Grundlage für die Datenstruktur in der Entwicklung. Dabei werden die verschiedenen Artefakte der Entwicklung auf dem V angeordnet. Artefakte sind Arbeitsergebnisse oder Entwicklungsobjekte, zum Beispiel Anforderungen, Implementierungen oder Nachweise.

Links oben stehen die Anforderungen, in der Mitte unten die Implementierung und auf dem rechten Arm die dazugehörigen Verifizierungs- und Validierungs-Artefakte. Verifizierung bedeutet, zu prüfen, ob ein Ergebnis die festgelegten Vorgaben erfüllt. Validierung bedeutet, zu prüfen, ob das Ergebnis für den vorgesehenen Zweck geeignet ist.

Wichtig ist die Rückverfolgbarkeit, englisch „Traceability“. Sie verbindet die Artefakte miteinander und unterstützt das Arbeiten mit ihnen. Diese Umsetzung ist in gängigen Anforderungsmanagementwerkzeugen üblich.

Weiterentwicklungen

Auf Grundlage industrieller Erfahrungen und technologischer Fortschritte wurden viele Weiterentwicklungen des V-Modells veröffentlicht. Um 2000 wurde das V-Modell zum Beispiel durch agile Methoden, Concurrent Engineering und die Bedeutung des Systems Engineerings zum W-Modell weiterentwickelt.

Das W-Modell enthält eine vorgezogene Testphase und bindet Simulationsprozesse sowie statistische Methoden zur Fehlervermeidung ein. Damit können Arbeitsschritte stärker parallelisiert werden. Es bietet eine Möglichkeit, agile Ansätze in klassische Arbeitsumfelder einzubetten. Der Begriff wird vor allem im deutschsprachigen Raum verwendet.

Auch die Richtlinie VDI 2206 wurde weiterentwickelt. Sie wurde von 2014 bis 2021 im VDI durch den Fachausschuss 4.10 „Interdisziplinäre Produktentstehung“ der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik überarbeitet und im November 2021 veröffentlicht. Grundlage war eine Schwachstellenanalyse, die die hohe Interdisziplinarität, Komplexität und Heterogenität moderner Systeme berücksichtigte. Die neue Richtlinie VDI/VDE 2206 trägt den Titel „Entwicklung mechatronischer und cyber-physischer Systeme“. Sie berücksichtigt moderne Produkte mit mechanischen, häufig elektronischen und möglichen Software-Anteilen sowie Verbindungen zum Internet der Dinge und Dienste.