B5: Fertigungsorientierte Entwurfsmethodik für Software eingebettet in Komponenten mobiler Systeme

Elektrik und Elektronik stellen heutzutage eines der größten Innovations-, leider aber auch das höchste Pannenpotential im Automobilbau dar. Die integrierten Neuerungen trugen 2004 bereits 40 Prozent zur Wertschöpfung eines Oberklassewagens bei; Tendenz steigend. Leider schlägt sich die durch diese Innovationen stark erhöhte Komplexität der Systeme auch in den Pannenstatistiken nieder, wonach bereits im Jahre 2008 40 Prozent der Pannen auf Elektrik und Elektronik zurückzuführen waren.

Im Bereich der Automobiltechnik besteht ein Bedarf an neuen Modellen, Methoden und Werkzeugen zur Softwareentwicklung (engl. Automotive Software Engineering, ASE). Die Hauptprobleme sind hierbei die Heterogenität der Automobilsysteme, deren Integration sowie die Vielzahl an vorhandenen Funktionsvarianten. Die Heterogenität entsteht durch die Vernetzung der Steuergeräte und deren dezentrale Verteilung zur Verbesserung der Modularisierbarkeit von Funktionen sowie der sensornahen Verarbeitung von Daten. Dieser wirkungsortgerechte Einsatz stellt jedoch extreme Anforderungen an die Steuergeräte, die aufgrund der dort herrschenden mechanischen und thermischen Belastungen gegeben sind.

Ziel dieses Teilprojekts ist es, durch gezielten Einsatz von Software und modellbasierter Entwurfsmethoden, Fehler im Betrieb, hervorgerufen u.a. durch Alterungsprozesse und fertigungsbedingte Toleranzen, zu kompensieren. Durch optimierte Auslegung sowie Software-basierte Überwachung und Steuerung soll eine maßgebliche Erhöhung der Zuverlässigkeit und Robustheit eingebetteter Hardware/Software-Komponenten mobiler Systeme erzielt werden.

Aktuelle Forschungsergebnisse

Der Schwerpunkt der bisher erzielten Ergebnisse liegt in der effizienten automatischen Zuverlässigkeitsanalyse und Zuverlässigkeitsoptimierung im Entwurfsprozess. Auf Basis der modellierten Eigenschaften des Systems sind in einem ersten Schritt vollautomatische Verfahren zur Zuverlässigkeitsanalyse entwickelt worden. Unter Verwendung einer modellbasierten Spezifikation ist eine formale Vorgehensweise zur Erstellung einer das System beschreibenden Strukturfunktion entwickelt worden. Diese erlaubt die automatische Berechnung einer Vielzahl relevanter Zuverlässigkeitskenngrößen wie beispielsweise der Mean-Time-To-Failure (MTTF). Durch die Entwicklung und Adaption von symbolischen Techniken in der Phase des Systementwurfs ist eine automatische Integration zuverlässigkeitssteigernder Maßnahmen wie die redundante Taskbindung, die Verwendung von Mehrheitsentscheider oder die Nutzung sogenannter Graceful Degradation Mechanismen erzielt worden. Da die Anwendung zuverlässigkeitssteigernder Maßnahmen im Allgemeinen mit einem Kostenaufwand verbunden ist, muss der Trade-off zwischen Zuverlässigkeit und zusätzlichen Kosten sorgfältig gewählt werden. Die im Teilprojekt B5 entwickelten, kostenbewussten Maßnahmen zur Steigerung der Zuverlässigkeit sorgen hierbei für hohe Zuverlässigkeitssteigerung bei überschaubaren Kosten. Um einen Trade-off zu weiteren Zielgrößen des Systementwurfs wie Durchsatz, Energieaufnahme oder Volumenverbrauch zu ermöglichen, sind die entwickelten Techniken in ein am Lehrstuhl CoD entwickeltes Werkzeug zum automatischen Entwurf von Hardware/Software-Systemen integriert worden. Hier werden durch eine Mehrzieloptimierung qualitativ hochwertige Implementierungen gefunden und dem Entwickler zur Verfügung gestellt.

Zur Laufzeit erfolgt eine Überwachung und Regelung des Systems durch ein im Teilprojekt B5 entwickeltes Software-basiertes System. Die in Bild 1 dargestellte Architektur überwacht das System hierbei und ermittelt, unter Verwendung von Daten aus dem Entwurf, den derzeitigen Systemzustand. Dieser Zustand wird an den Controller übermittelt, der, wiederum unter Verwendung von Daten aus der Entwurfsphase, Fehler im Betrieb, wann immer möglich, ausgleicht bzw. geeignete Degradierungsmaßnahmen vornimmt. Im Teilprojekt B5 sind hierfür geeignete Datenstrukturen und Online-Verfahren entwickelt worden.

Aufbau eines Hardware/Software-Systems unter Verwendung einer Software-basierten Überwachungs- und Steuerungsmethodik zur Erhöhung der Qualität und Zuverlässigkeit des Systems zur Laufzeit.

Teilprojektleiter

Publikationen

STREICHERT, T.; GLAß, M.; HAUBELT, C.; TEICH, J.: Design space exploration of reliable networked embedded systems. In: Journal on Systems Architecture (JSA), 53(10). S. 751-763, 2007. (Download)

REIMANN, F.; GLAß, M.; LUKASIEWYCZ, M.; KEINERT, J.; HAUBELT, C.; TEICH, J.: Symbolic Voter Placement for Dependability-Aware System Synthesis. In: 6th International Conference on Hardware/Software Codesign and System Synthesis (19.-24.10.2008, Atlanta, USA), S. 237-242. (Download)

GLAß, M.; LUKASIEWYCZ, M.; REIMANN, F.; HAUBELT, C.; TEICH, J.: Symbolic Reliability Analysis of Self-healing Networked Embedded Systems. In: 27th International Conference on Computer Safety, Reliability and Security (22.-25.09.2008, Newcastle upon Tyne, UK), S. 139-152. (Download)

GLAß, M.; LUKASIEWYCZ, M.; WANKA, R.; HAUBELT, C.; TEICH, J.: Multi-Objective Routing and Topology Optimization in Networked Embedded Systems. In: International Conference on Embedded Computer Systems: Architectures, Modeling, and Simulation (21.-24.07.2008, Samos, Griechenland), S. 74-81. (Download)

GLAß, M.; LUKASIEWYCZ, M.; REIMANN, F.; HAUBELT, C.; TEICH, J.: Symbolic Reliability Analysis and Optimization of ECU Networks. In: Design, Automation and Test in Europe (10.-14.03.2008, München, Deutschland), S. 158-163. (Download)

LUKASIEWYCZ, M.; GLAß, M.; HAUBELT, C.; TEICH, J.: SAT-Decoding in Evolutionary Algorithms for Discrete Constrained Optimization Problems. In: Congress on Evolutionary Computation (25.-28.09.2007, Singapore, Singapore), S. 935-942. (Download)

LUKASIEWYCZ, M.; GLAß, M.; HAUBELT, C.; TEICH, J.: Solving Multiobjective Pseudo-Boolean Problems. In: 10th International Conference on Theory and Applications of Satisfiability Testing (28.-31.04.2007, Lissabon, Portugal), S. 56-69. (Download)

GLAß, M.; LUKASIEWYCZ, M.; STREICHERT, T.; HAUBELT, C.; TEICH, J.: Reliability-Aware System Synthesis. In: Design, Automation and Test in Europe (16.-20.04.2007, Nizza, Frankreich), S. 409-414. (Download)

GLAß, M.; LUKASIEWYCZ, M.; STREICHERT, T.; HAUBELT, C.; TEICH, J.: Synthese zuverlässiger und flexibler Systeme. Zuverlässigkeit und Entwurf (26.-28.03.2007, München, Deutschland)S. 141-148. (Download)