Fahrzeugarchitekturen von morgen optimieren
Innovationen sind in cyber-physischen Systemen wie Automobilen oder Flugzeugen heute ohne komplexe, software-basierte Funktionen undenkbar. Dabei machen hohe Sicherheits- und Leistungsanforderungen den Entwurf der zugrundeliegenden Systemarchitektur schwierig und aufwändig.
Im Open Source-Werkzeug AutoFOCUS 3 zeigt fortiss, wie die Analyse und Optimierung von Systemarchitekturen durch modellbasierte Entwicklung automatisiert werden kann, um effizient auf Zielkonflikte und Änderungen reagieren zu können.
Innovative Funktionen wie beispielsweise Fahrerassistenzsysteme oder automatisierte Fahrfunktionen werden heutzutage hauptsächlich in Software realisiert. Dies stellt eine enorme Herausforderung dar, da diese mit der physikalischen Welt interagiert, hohe Leistungsanforderungen hat und kontinuierlich weiterentwickelt wird.
Dabei sind Anforderungen an die Funktionalität und die gewählte Software- und Hardware-Architektur eng mit den nicht-funktionalen Eigenschaften des Systems wie z. B. Kosten, Gewicht und Energiebedarf gekoppelt. Da suboptimale Architekturentscheidungen hohe Folgekosten haben können, stoßen auf Erfahrungswissen basierende manuelle Ansätze aufgrund der Komplexität der Systeme hier an ihre Grenzen.
Das modellbasierte Werkzeug AutoFOCUS 3 verfügt daher über eine automatische Exploration von Systemarchitekturen, die die Produktivität erhöht und die es ermöglicht, in hoher Qualität auf sich ändernde Anforderungen zu reagieren.
Das von fortiss entwickelte Open Source-Werkzeug AutoFOCUS 3 demonstriert, wie mithilfe neuartiger Ansätze die Entwicklung cyber-physischer Systeme effizienter gemacht werden kann. Die Grundlage hierfür ist die Erfassung und Darstellung des Systems in geeigneten Modellen, die Entwicklern stets die aktuell relevanten Informationen auf der jeweils passenden Abstraktionsebene bieten. Dazu gehören die logischen Komponenten des Systems sowie technische Architekturmodelle, die den die konkrete Umsetzung einer Architektur in Hardware und Software verfügbaren Entwurfsraum beschreiben.
Zusammen mit als Constraints formalisierten Anforderungen bilden diese Modelle die Informationsbasis für die automatisierte Optimierung von Systemarchitekturen. Dazu werden die vom Nutzer des Werkzeugs erstellten Modelle im Hintergrund zunächst in das Eingabeformat entsprechender externer, auf formalen Methoden basierender Expertenwerkzeuge, übersetzt. Diese übernehmen die eigentliche Optimierungsaufgabe. Relevante Problemstellungen sind dabei etwa optimale Abbildung von Softwarekomponenten auf eine Ausführungsplattform (Deployment) oder die Anpassung einer Plattform an die Anforderung der Anwendung (Exploration von Plattform-Architekturen). Anschließend werden die erhaltenen Lösungen in das Systemmodell importiert und dem Nutzer präsentiert.
Dass mit modellbasiertem Systems-Engineering und der Automatisierung von Entwurfsaufgaben Systeme nicht nur schneller, sondern auch in höherer Qualität entwickelt werden können, zeigen gemeinsame Arbeiten mit Forschungspartnern aus der Automobilindustrie.
So ermöglichte etwa die in AutoFOCUS 3 verfügbare automatische Entwurfsraumexploration wertvolle Beiträge zur Optimierung zukünftiger Fahrzeugarchitekturen. Durch die optimierte Nutzung von Ressourcen wie Speicher oder Rechenleistung, konnte unter Berücksichtigung aller relevanter Constraints, wie des Automotive Safety Integrity Levels (ASIL), eine Erhöhung der Integrationsdichte erzielt werden. Dies führte zu einer Kostenreduktion durch die Einsparung von Steuergeräten bzw. Kommunikationsbussen.
Den Grundstein dafür legte die Modellierung von sowohl der Systemarchitektur, als auch von sonst nur implizit vorhandenem Erfahrungswissen wie etwa Design-Constraints. Die explizite Modellierung ermöglichte nicht nur die Behebung von Inkonsistenzen, sondern bildete auch die Grundlage für die Automatisierung von Prozessschritten wie z. B. die Ausleitung von Systemkonfigurationen.
Die in AutoFOCUS 3 untersuchten Ansätze zur Systemmodellierung und Entwurfsraumexploration sind in eine Zusammenarbeit von fortiss mit der Continental AG zu Fragestellungen zur automatisierten Exploration von verteilten E/E-Architekturen eingeflossen.
