Verifikation softwareintensiver Fahrwerksysteme

Abstract

Kontext: Die zunehmende Signifikanz von softwarebasierten Funktionen in modernen Fahrzeugen ist der Auslöser vieler Veränderungen im automobilen Entwicklungsprozess. In der Vergangenheit bestand ein Fahrzeug aus mehreren Electronic Control Units (ECUs), welche jeweils individuelle und voneinander unabhängige Softwarefunktionen ausführten. Demgegenüber bilden heute mehrere ECUs funktional kohärente Subsysteme, welche übergreifende und vernetzte Softwarefunktionen wie zum Beispiel Fahrerassistenzfunktionen und automatisierte Fahrfunktionen implementieren. Dieser Trend hin zu einem hochvernetzten Softwaresystem sorgt in der Entwicklung moderner Fahrzeuge für einen hohen Bedarf an geeigneten Architekturmodellen und Entwurfsmethoden. Aufgrund der Entwicklung von ECUs durch verschiedene Entwicklungsdienstleister werden zusätzlich systematische Integrationstestmethoden benötigt, um das korrekte Interaktionsverhalten jeder individueller ECU im Laufe der Fahrzeugentwicklung zu verifizieren. Hierfür stellt Kopplung eine weit verbreitete Messgröße dar, um in komponentenbasierten Softwaresystemen Qualitätseigenschaften wie die Verständlichkeit, Wiederverwendbarkeit, Modifizierbarkeit und Testbarkeit widerzuspiegeln. Problembeschreibung: Während Kopplung eine geeignete Messgröße für die Qualität eines Softwaredesigns darstellt, existieren nur wenig wissenschaftliche Beiträge über den Mehrwert von Kopplung für den Integrationstestprozess des aus dem Design resultierenden Systems. Existierende Arbeiten über das Thema Integrationstest beschreiben die schrittweise Integration von White-Box Softwarekomponenten unter Verwendung von Eigenschaften und Messgrößen, welche aus der Implementierung abgeleitet wurden. Diese Abhängigkeit vom Quellcode und der Softwarestruktur sorgt jedoch dafür, dass diese Methoden nicht auf die Entwicklung von Fahrzeugen übertragen werden können, da Fahrzeugsysteme zu einem großen Anteil aus Black-Box Software bestehen. Folglich existieren auch keine Methoden zur Messung der Testabdeckung oder zur Priorisierung der durchzuführenden Tests. In der Praxis sorgt dies dafür, dass lediglich erfahrungsbasierte Ansätze angewendet werden, bei denen signifikante Anteile des Interaktionsverhaltens im Laufe der Fahrzeugentwicklung ungetestet bleiben. Ziele: Um Lösungen für dieses Problem zu finden, soll diese Arbeit systematische und empirisch evaluierte Testmethoden ausarbeiten, welche für die Integrationstests während der Fahrzeugentwicklung angewendet werden können. Dabei wollen wir in erster Linie auch einen Einblick in das Potential bieten, welche Messgrößen Kopplung für die Verwendung zur Testfall-Priorisierung bietet. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Empfehlung für das systematische Integrationstesten von Fahrzeugsystemen zu geben, welches auf dem Interaktionsverhalten einzelner ECUs basiert. Methoden: Um diese Ziele zu erreichen, analysieren wir im ersten Schritt dieser Arbeit den Stand der Technik, so wie er gegenwärtig bei BMW für das Integrationstesten der Fahrwerkssysteme angewendet wird. Dem gegenüber analysieren wir den Stand der Wissenschaft hinsichtlich existierender Testmethoden, welche auf die Problemstellung der Integration von Fahrzeugsystemen übertragen werden können. Basierend auf diesem Set an wissenschaftlich evaluierten Methoden leiten wir anschließend konkrete Vorgehensweisen für die Messung der Testabdeckung und der TestfallPriorisierung ab. Im Rahmen dieser Arbeit werden beide Vorgehensweisen empirisch evaluiert basierend auf Test- und Fehlerdaten aus einem Fahrzeugentwicklungsprojekt. Beiträge: Zusammengefasst enthält diese Arbeit zwei Beiträge, welche wir zu einem zentralen Beitrag zusammenführen. Der erste Bereich besteht aus einer Methode zur Messung der Testabdeckung basierend auf dem inter-komponenten Datenfluss von Black-Box-Komponenten. Die Definition eines Datenfluss-Klassifikationsschemas ermöglicht es, Daten über die Verwendung von Datenflüssen in existierenden Testfällen sowie in Fehlern zu sammeln, welche in den verschiedenen Testphasen gefunden wurden. Der zweite Beitrag dieser Arbeit stellt eine Korrelationsstudie zwischen verschiedenen Messmethoden für Coupling und der Fehlerverteilung in einem Fahrwerkssystem dar. Dabei evaluieren wir die Coupling-Werte von individuellen Software-Interfaces sowie die der Komponenten, welche diese implementieren. Zusammengefasst spiegelt diese Studie das Potential wider, das solche Coupling-Messmethoden für die Verwendbarkeit zur Testpriorisierung haben. Die Erkenntnisse aus diesen Beiträgen werden in unserem Hauptbeitrag zu einer Coupling-basierten Teststrategie für Systemintegrationstests zusammengeführt. Fazit: Der Beitrag dieser Arbeit verbindet zum ersten Mal den Stand der Technik zur Systemintegration von verteilten Black-Box-Softwaresystemen mit dem Stand der Wissenschaft über systematische Ansätze zur Integration von Softwaresystemen. Das Messen der Testabdeckung basierend auf dem Datenfluss ist hierfür eine effektive Methode, da der Datenfluss in einem System das Interaktionsverhalten der einzelnen Komponenten widerspiegelt. Zusätzlich kann das mögliche Interaktionsverhalten aller Komponenten des Systems aus dessen Architektur-Spezifikationen abgeleitet werden. Aus den Studien über die Korrelation von Coupling zur Fehlerverteilung geht außerdem eine moderate Abhängigkeit hervor. Aufgrund dessen ist die Selektion von Testfällen basierend auf die im Testfall erprobten Komponenteninteraktionen und dessen Coupling ein sinnvolles Vorgehen für die Praxis. Jedoch ist die moderate Korrelation auch ein Indiz dafür, dass zusätzliche Aspekte bei der Auswahl von Testfällen für Integrationstests zu berücksichtigen sind.