1. Simulieren, Testen, Verifizieren –
Alles oder Nichts?
Systematische Funktionsabsicherung von
elektronischen Fahrzeugsystemen
Innovationsforum „Software Saxony“
Software Saxony
Dr. Rocco Deutschmann
Dresden, 24.04.2009
engineering · software · test

2. Übersicht
Simulieren, Testen
Simulieren Testen, Verifizieren – Alles oder Nichts?
TraceTronic GmbH
Motivation
Simulation
Einsatzfelder
Techniken und Methoden im Absicherungsprozess
Testautomatisierung
Grenzen
Semiformale Verifikation
Zusammenfassung, Fazit
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3. Vorstellung TraceTronic GmbH
Über uns:
Als ehemalige Ausgründung aus der TU Dresden bildet die TraceTronic GmbH ein interdisziplinäres
Team aus Ingenieuren, Mathematikern und Informatikern zur Sicherung der Qualität Ihrer Produkte.
Kunden:
Leistungsspektrum/Know-How:
Softwarewerkzeuge und Dienstleistungen für die Validierung eingebetteter Systeme
Langjährige Erfahrung im Bereich des Tests und der Entwicklung automobiler Steuergerätesoftware
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4. Motivation

5. Motivation
Notwendigkeit systematischer Ab i h
Nt di k it t ti h Absicherung
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6. Motivation
Gründe für Systematische Ab i h
G ü d fü S t ti h Absicherung
Kosten für Fehlerbehebung am Beispiel eines (!) schweren Software Fehlers
Quelle:
• deutscher Automobilzulieferer, Erhebung aus dem Jahr 2000
• method park, Safetronic 2004
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7. Motivation
Vorteile
V t il von Si l ti
Simulationstechniken b i T t
t h ik beim Testen
Kosten
Spät entdeckte Fehler sind teure Fehler
Prototypfahrzeuge sind sehr teuer
yp g
Sicherheitsgedanken
Simulationen zum Test von ABS ESP Crashs
ABS, ESP,
Prozesse mit hoher Zeitkonstante
Einfaches Reset physikalischer Prozesse möglich
f
z. B. „Motorabkühlung auf Knopfdruck“
Automatisierbarkeit
A ii b ki
Simulationen sind leichter steuerbar als echte Hardware
z. B. automatisiertes
z B „automatisiertes Abfahren eines virtuellen Testparcours“
Testparcours
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8. Motivation
Absicherung und Si l i
Ab i h d Simulation
Grundthese:
„Systematische und ökonomische Absicherung elektronischer
Fahrzeugsysteme ist ohne Simulation nicht durchführbar!“
Simulation als das zentrale Mittel zur systematischen
Funktionsabsicherung
Funktionstests durchgängig in simulierten oder
teilsimulierten Umgebungen
Systematisches , frühzeitiges Testen ohne Simulationen
nicht (mehr) möglich
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9. Simulation
Einsatzfelder

10. Simulation
Einsatzfelder
Ei f ld
Mechatronisches System
M ht i h S t
Entwicklung und Funktions-
Funktions
Auslegung absicherung
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11. Simulation
In der Entwicklung und Auslegung
Quelle: BMW
Crashsimulation
Quelle: www.cerfacs.fr
Simulation von Verbrennungsprozessen
Mechanische Modelle
Fahrwerksentwicklung
Quelle: Mercedes
Q
Verschleißsimulation
Strömungssimulation
Auslegung mechanischer Bauteile
• Aerodynamik
•Mt
Motorenentwicklung
t i kl
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12. Simulation
In der Funktionsabsicherung
F nktionsabsicher ng
Sensorrückmeldung
Sensormodelle
Streckenmodelle
Aktormodelle
Restbusmodell
Testobjekt
(Funktion, Steuergerät) Testumgebung
Aktoransteuerung
g
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13. Simulation
Techniken und Methoden
im Absicherungsprozess

14. Simulationen
Einordnung der Techniken
Was wird simuliert?
Umgebung
Funktionen
simuliert real
Rapidprototyping
ap dp ototyp g
Model-
Modellgetriebene Entwicklung Modelliert
in-the-Loop
Rapid
Funktion
Umgebung Software-in- prototyping
the-Loop
Model-in-the-Loop Implementiert
Software in the Loop
Software-in-the-Loop
Hardware-in-the-Loop
Hardware-
In Hardware
Prototyp
integriert in-the-Loop
p
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15. In-the-Loop
Simulationsumfang
Sim lations mfang
Primäres Ziel:
„Nur das nötigste Simulieren“
Simulation nicht zum Selbstzweck
Beispiel einer Umgebungssimulation für eine Motorsteuerungstest:
Viele Vereinfachungen:
- Konstanter Umgebungsdruck und T
K ttU b d k d Temperatur
t
- Feste Kurve für Motortemperatur
- Bremsunterdruck konstant
- Kennfelder für die notwendigen Aspekte des Verbrennungsprozesses
Behandlung komplexer physikalische Zusammenhänge:
- Verwendung echter Drosselklappen statt Simulation
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16. Testautomatisierung und
Simulation
Effizienter Ei
Effi i t Einsatz in der Ab i h
t i d Absicherung

17. Testautomatisieurung und Simulation
Motivation
Testautomatisierung
Einmalige Testerstellung und automatisierte
Testdurchführung
Regressionstest für neue Softwarestände
Reproduzierbarkeit d E b i
R d i b k it der Ergebnisse
Auslastung der Simulationsumgebungen
Konzentration auf den kreativen Teil des Testprozesses
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18. Effizienter Einsatz von Simulation
Testautomatisierungsframework
Ttt ti i f k
Zentrale Kontrolle aller Werkzeuge
g
ECU-
ECU-TEST 4
Testautomatisierung
Simulationsplattform
Simulationsplattform
ECU Sonstiges
Simulationsplattform Bus
Diagnosewerkzeuge &
HiL-Plattformen SiL-Systeme Bus-Zugriff Spezialwerkzeuge
Applikationswerkzeug
A lik ti k
• dSPACE • M hW k
MathWorks •… •…
e
• ETAS MATLAB/
•…
• MicroNova Simulink
(National • National
Instruments) Instruments
LabVIEW
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19. Simulation
Grenzen beim praktischen Einsatz

20. Begrenzende Faktoren
Rechenkraft
R h k ft
Rechenkraft ist trotz stetiger Weiterentwicklung immer begrenzt
g g g
Quelle: Prof. Stefan Kurz, ETAS
GmbH,
Hardware-in-the-Loop Simulation
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21. Begrenzende Faktoren
Kosten-Nutzen-Verhältnis
Kosten Nutzen Verhältnis und Manpower
Simulation nicht zum Selbstzweck
Vollständige Simulation oft nicht wirtschaftlich
Durchschnittliche
Kosten pro
entdecktem Fehler
Kosten
Simulationskosten
Si l ti kt
abhängig u.a. von:
- Simulationstiefe
- Häufigen Anforderungsänderungen
Zeitpunkt in der Entwicklung
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22. Begrenzende Faktoren
Prozessintegration und Ak
P it ti d Akzeptanz
t
Prozessintegration
Simulationsmodell-Entwicklung ist Software-Entwicklung
Notwendige Prozessintegration:
g g
- Anforderungsmanagement
- Milestone-Koordinierung (das richtige Modell zur richtigen Zeit)
- Versionierung
Akzeptanz
p
Hoher Initialaufwand + generell bestehender Termindruck
Wechselwirkung: Modellnutzung <-> Modellqualität
- Modellqualität braucht Entwicklerinput und umgekehrt
Änderungen etablierter Strukturen oft schwierig
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23. Überwinden bestehender Grenzen
Positive Einflussfaktoren:
Stetig steigende Rechenleistung
Wiederverwendbarkeit und Erweiterbarkeit bestehender Modelle
Bessere Modellierungswerkzeuge
Breiterer Einsatz von Modellierungswerkzeugen
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24. Semiformale Verifikation

25. Formale Verifikation
Scheitert aber schnell an
Komplexität
Akzeptanz
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26. Semiformale Verifikation
Klassische Testwelt Verifikationswelt
Formale Spezifikationen
SiL,HiL Testfahrten
Verzicht auf:
formale Funktions- und
Aufgezeichnete Messreihen
Umgebungsmodelle
„Traces“
T “
10100100110
TraceSys
y
010100101001000101001010010101
www.tracesys.de
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27. Semiformale Verifikation
Veranschaulichung
V h li h
Spezifikation (informal):
[…]
[ ] Der Klemme50 HighPegel muss mindestens 500ms anhalten
Klemme50-HighPegel
[…]
Spezifikation (in formaler Logik):
G{SignalChange}( “Signal==HIGH” -> G
[0,0.5](“Signal==HIGH”))
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28. Fazit und
Zusammenfassung
g

29. Simulieren, Testen, Verifizieren
Alles d Nichts?
All oder Ni ht ?
Systematische Absicherung:
y g
Gelingt durch effektives und effizientes Zusammenspiel der einzelnen Techniken
Simulieren:
Im Absicherungsprozess vorrangig für
In-the-Loop-Umgebungssimulation
Testen:
Testautomatisierung garantiert hohe Wirtschaftlichkeit
eingesetzter In-the-Loop-Systeme
Wiederverwendbare Tests durch generische ECU-
ECU-TEST 4
Testfallbeschreibung
Semiformale Verifikation:
Analyse auf bereits anfallenden Daten (keine Zusatzkosten)
Gute Einbindung in Testautomatisierung
TraceTronic
TraceChecker
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30. Vielen Dank