Steinbeis-Team entwickelt Robustheitsanalyse von Steuergerätesoftware
Der Übergang hin zum vollautomatisierten Fahren, bei dem das Fahrzeug zukünftig die alleinige Verantwortung für die automatisiert durchgeführten Fahrmanöver übernimmt, stellt die Automobilindustrie bei der Absicherung der neu zu entwickelnden Fahrzeuggenerationen vor große Herausforderungen. Es sind intensive Testaktivitäten nötig, um die Funktionalität der Steuergeräte im automatisierten Fahrbetrieb sicherzustellen. Die Steinbeis Interagierende Systeme GmbH unterstützt Fahrzeughersteller und ihre Zulieferer mit systematischen Testmethoden und Werkzeugen zur Robustheitsanalyse ihrer Steuergerätesoftware und verantwortet den weltweiten Betrieb von Testplattformen.
Trotz der steigenden Anzahl der Verkehrsteilnehmer in den letzten Jahren ist in der Straßenverkehrsunfallstatistik des Statistischen Bundesamts kein Anstieg der bei Verkehrsunfällen verletzten oder getöteten Personen zu erkennen. Ein Grund dafür ist der technische Fortschritt bei den passiven und aktiven Sicherheitssystemen der Fahrzeuge. Einen Beitrag dazu leisten Fahrerassistenzsysteme, die in kritischen Verkehrssituationen automatisiert in das Fahrverhalten des Fahrzeugs eingreifen und so zur Entschärfung der Verkehrssituationen oder zumindest für eine Abschwächung der Unfallfolgen sorgen.
Mit fortschreitendem Grad der Automatisierung übernehmen die Fahrzeughersteller zunehmend Verantwortung für die vom Fahrzeug in einem längeren Zeitraum durchgeführten Fahrmanöver. Diese Entwicklung soll es dem Fahrer zukünftig erlauben, seine Aufmerksamkeit im automatisierten Fahrbetrieb vom Fahrzeug und von der Umgebung abzuwenden und auf andere Tätigkeiten zu richten. In Verkehrssituationen, bei denen das Fahrzeug überfordert ist oder fehlerhaft arbeitet, steht der Fahrer somit den Fahrzeugherstellern nicht mehr als sofort verantwortliche Rückfallebene zur Verfügung. Im Gegensatz zu den bisherigen Anwendungsgebieten des vollautomatisierten Transports in der Industrie, bei denen die Fortbewegung innerhalb eines definierten Umfelds erfolgt, muss ein automatisiert agierendes Fahrzeug im Straßenverkehr mit einer großen Anzahl an unterschiedlichen Umgebungsbedingungen zurechtkommen. Für eine Fahrt ist somit das Zusammenwirken vieler im Vorfeld unbekannter externer Faktoren ausschlaggebend. Diese Faktoren beeinflussen die Qualität der von der Sensorik über die Umgebung gelieferten Informationen, auf denen die Situationsbewertung der Steuergerätesoftware beruht. Trotz dieser Unsicherheiten muss der Fahrzeughersteller gewährleisten, dass das Fahrzeug unter Einhaltung der geltenden Straßenverkehrsordnung sein Ziel oder bei einer Fehlfunktion einen sicheren Zustand ohne Gefährdung der Insassen und anderer Verkehrsteilnehmer erreicht.
Die Diagramme zeigen beispielhaft die Soll- und die Ist-Trajektorie der Querregelung einer Fahrerassistenzfunktion, die das Fahrzeug mittig in der Spur halten und dabei mit den Fahrzeugrädern die Spurmarkierungen der Fahrbahn in keiner Situation überfahren soll. Durch die systematische Variation des Kurvenverlaufs und der Fahrzeuggeschwindigkeit lässt sich die Regelgüte der Funktion im Systemkontext ermitteln und die hierfür geltende funktionale Systemgrenze analysieren.
Die Grafik zeigt als kompakte Darstellung von über 400 Testfällen, dass das Fahrzeug mit zunehmender Geschwindigkeit und Krümmungsänderung nicht mehr von der Fahrerassistenzfunktion in der Spur gehalten werden kann. Im nächsten Schritt ist aus dieser Erkenntnis eine Anpassung der Fahrerassistenzfunktion denkbar, die vor dem Erreichen der funktionalen Systemgrenze entweder die Geschwindigkeit des Fahrzeugs reduziert oder rechtzeitig die Kontrolle über das Fahrzeug an den Fahrer übergibt.
Für das automatisierte Fahren stellen die vielfältigen Verkehrssituationen und deren zeitliche Abläufe im Straßenverkehr eine Herausforderung dar, wobei insbesondere Aspekte der Robustheit berücksichtigt werden müssen. Die Steinbeis Interagierende Systeme GmbH forscht an neuen Verfahren der automatisierten Robustheitsanalyse, die unterschiedliche Verkehrssituationen und deren chronologische Abfolge bei der Evaluierung der Steuergerätesoftware im Kontext der etablierten Standards zum Test von Software einbeziehen. Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Verfahren für die werkzeuggestützte Ermittlung der funktionalen Systemgrenzen des Fahrzeugs, bei deren Überschreitung eine von der Spezifikation abweichende Reaktion erfolgt. Der hierfür notwendige Testdurchsatz wird durch eine ressourcenschonende Testumsetzung erreicht. Sie ermöglicht die performante Simulation vieler tausend Testkilometer im Grenzbereich der Steuergerätesoftware.
In seinem aktuellen Projekt hat das Expertenteam der Steinbeis Interagierende Systeme GmbH das Framework Gen4es.4L entwickelt. Es ermöglicht eine individuelle Anpassung des Verfahrens an die projektspezifischen Anforderungen der zu testenden Fahrerassistenzsituation und somit eine optimale Integration in den Entwicklungs- und Testprozess. Gen4es.4L beinhaltet die Stimulation des Testobjekts auf verschiedenen Testebenen sowie die Ermittlung und Bewertung der daraus resultierenden Reaktionen. „Mit Gen4es.4L können wir evolutionäre Algorithmen und zufallsbasierte Verfahren in Verbindung mit geführten Suchen kombinieren, so dass die zu untersuchende Fahrerassistenzfunktion gezielt an ihren Grenzen betrieben wird“, erläutert Projektleiter Steffen Wittel. Während des Projekts stand das Projektteam vor der zusätzlichen Herausforderung, die Grenzen in möglichst repräsentativen Verkehrssituationen zu testen. Daher integriert Gen4es.4L eine Verkehrssimulation, in der das Beschleunigungs- und Spurwechselverhalten systematisch variiert und somit die generierte Stimulation automatisiert an den Grenzen der Funktionalität entlanggeführt wird. Für einen kontinuierlichen Vergleich zwischen dem erwarteten und dem tatsächlichen Verhalten erfordert diese iterative Herangehensweise die automatisierte Ermittlung der erwarteten Reaktion des Fahrzeugs. Dazu haben die Steinbeis-Entwickler mit Gen4es.eval eine hierarchische Analyse- und Auswertemöglichkeit geschaffen, die die Beeinflussung des Testverlaufs basierend auf der Reaktion des simulierten Fahrzeugs vom Standpunkt eines externen Beobachters erlaubt.
Dr. Daniel Ulmer, Mitglied der Geschäftsführung der Steinbeis Interagierende Systeme GmbH, fasst den Mehrwert der neuen Software zusammen: „Die Visualisierung der mehrdimensionalen funktionalen Systemgrenzen des Fahrzeugs mit Gen4es.4L ermöglicht eine effiziente Bewertung der Steuergerätefunktionalität über verschiedene Softwarestände hinweg sowie eine kompakte Darstellung des Verhaltens an den Systemgrenzen. Basierend hierauf können Entscheidungen für die funktionale Weiterentwicklung der Steuergerätesoftware getroffen und deren Wirkung analysiert werden.“
Kontakt
Steffen Wittel, Dr. Daniel Ulmer, Dr. Oliver Bühler
Steinbeis Interagierende Systeme GmbH (Esslingen)