Virtuelle Integration und Absicherung von ECU-Funktionen

Elektronische Steuergeräte erhöhen in vielen Produkten Funktionalität, Komfort und Sicherheit. Gleichzeitig steigen durch kürzere Entwicklungs- und Lebenszyklen sowie die sich verschärfende Produkthaftung die Anforderungen an Entwickler und Hersteller. Reparaturen im Feld sind extrem teuer und zerstören das Vertrauen der Kunden. Je früher Fehler entdeckt werden, desto besser.

Das Beispiel Fahrerassistenzsysteme im Automobil-Bereich zeigt, wie modellbasierte Verfahren die Qualität in Entwicklung und Test erheblich steigern können. Für viele Autofahrer sind sie eine Selbstverständlichkeit: Fahrerassistenzsysteme (FAS) wie Antiblockiersystem (ABS), Einparkhilfe oder Abstandsregelung. Jedes dieser Systeme greift aktiv in zentrale Fahrzeugsysteme wie Bremse und Lenkung ein. Fehlfunktionen würden die Sicherheit von Fahrzeug und Insassen gefährden.

Automobilhersteller stehen damit vor großen Herausforderungen: Wie lassen sich Zuverlässigkeit und Sicherheit dieser komplexen Systeme gewährleisten – bei unterschiedlichsten Einsatzszenarien? Hinzu kommt: In der arbeitsteiligen Automobilindustrie werden die einzelnen Komponenten von verschiedenen Firmen entwickelt und produziert. Wie lässt sich Sicherheit in diesem Umfeld koordinieren?

Virtuelle Tests mit ersten Funktionsmodellen

Vor diesem Hintergrund haben sich in der Entwicklung von Automobil-Steuerungselektronik (ECU) modellbasierte Verfahren etabliert. Entscheidend dabei: Bereits aus einer modellbasierten Spezifikation - und damit in einer sehr frühen Entwicklungsphase - lassen sich Funktionsmodelle ableiten. Diese Funktionsmodelle beschreiben, wie sich das Steuerungssystem an seinen Schnittstellen verhalten soll. Konkret, welche Eingangssignale der unterschiedlichen Sensoriken zu welchen Ausgangssignalen für die Steuerung führen. Der Clou: Bereits diese Funktionsmodelle können durch automatische Codegenerierung ausgeführt werden – lange bevor mit der Hard- und Softwareentwicklung begonnen wird. Auch lassen sich vorhandene Funktionsmodelle anderer Komponenten hinzufügen und das Zusammenspiel der Funktionsmodelle als virtuelle Integration testen. Der Komplexität sind dabei kaum Grenzen gesetzt: Modellbasierte Automobil-Testplattformen wie MESSINA importieren komplette Fahrzeugmodelle, beispielsweise Lkw-Typen inklusive spezifischem Beschleunigungs-, Lenk- und Bremsverhalten. Mit wenigen Mausklicks kann am Laptop des Entwicklers die Wirkung eines ABS-Systems getestet werden. Relevante Größen wie Geschwindigkeit oder Reibungswiderstand der Straße lassen sich als Parameter variieren, ihre Auswirkungen simulieren und das Ergebnis am Monitor visualisieren. So kann bereits das Funktionsmodell getestet und optimiert werden.

Durchgängigkeit: Vom MiL (Model-in-the-Loop)-Test bis zum Integrationstest der fertigen Hardware

Auch im weiteren Entwicklungsprozess haben modellbasierte Verfahren Vorteile. So lassen sich die anfangs entwickelten Funktionsmodelle als Referenz für nachfolgende Hard- und Softwaretests nutzen. Ganz unabhängig von der konkreten Plattform, Programmiersprache oder Implementierung: Die von den Entwicklern gelieferten Hard- und Softwarekomponenten müssen sich wie das Modell verhalten. Ein Verfahren, das von den Automobilherstellern etwa bei der Freigabe von Telefonmodellen und Freisprechanlagen eingesetzt wird, hilft, die Vielfalt bei Mobiltelefonen mit den vergleichsweise langen Lebenszyklen der Fahrzeuge zu harmonisieren. Modellbasierte Verfahren erleichtern und präzisieren die Kommunikation in verteilten Entwicklerteams. Und: Modellbasierte Verfahren gewährleisten durchgängige Tests und tragen dadurch erheblich zur Qualitätssicherung bei.

Ein Beispiel: Noch bevor ein ABS-Steuerungsgerät entwickelt wird, lässt sich das Funktionsmodell bereits am Teststand mit real vorhandenen Achsen und Bremsen testen. Die im Modell erzeugten Signale werden dafür über eine Testhardware simuliert. Im weiteren Verlauf wird das Modell durch die reale Software ersetzt, und der SiL (Software-in-the-Loop)-Test kann beginnen. Ist auch die konkrete Hardware der ABS-Steuerung entwickelt, wird die Testhardware ersetzt und der HiL (Hardware-in-the-Loop)-Test bzw. Integrationstest kann beginnen. Werden in diesen nachfolgenden Testschritten neue Erkenntnisse gewonnen, werden diese in das Funktionsmodell transferiert. Die so verbesserten Funktionsmodelle können in weiteren Entwicklungsprojekten oder für Varianten genutzt werden.

Enorme Effizienzpotenziale

Modellbasierte Verfahren werden bisher vorrangig für Entwicklung und Test in den Bereichen Automobil, Bahn, Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung eingesetzt. Die komplexen Produkte, die hohen Kostenrisiken möglicher Entwicklungsfehler und strenge Sicherheitsauflagen in diesen Industrien haben geholfen, Best Practices zu entwickeln und die notwendigen Software-Tools zu optimieren. Davon können jetzt andere Industrien profitieren. Der schnell wachsende Anteil von Steuerungselektronik in vielen Produkten lässt das Interesse an modellbasierten Verfahren wachsen. Für Unternehmen, die ihre Entwicklungsprozesse bei steigender Variantenvielfalt beschleunigen und zugleich Risiken minimieren wollen, sind die Vorteile modellbasierter Verfahren in puncto Qualität und Durchgängigkeit starke Argumente.

Verfahrenswechsel erfordert Lernkurve

Modellbasierte Verfahren erfordern spezielle Methodenkenntnisse sowie neue Prozesse und Tools in der Entwicklung. Der Return on Investment über den Lebenszyklus der Produkte ist attraktiv und nachhaltig, stellt sich aber naturgemäß nicht schon im allerersten Projekt ein. Um neue, modellbasierte Verfahren zügig im Unternehmen zu implementieren, haben sich gemischte Teams bewährt. Die eigenen Entwickler erhalten dabei Hilfe von externen Experten mit langjähriger Erfahrung im modellbasierten Entwickeln und Testen. Schrittweise erfolgt dann der Transfer auf weitere Projekte, wobei der Anteil externer Ressourcen zurückgefahren werden kann.