Mercedes-Benz R&D North America: Erhöhte Sicherheit und Effizienz im Softwareentwicklungsprozess bei Mercedes-Benz

MBRDNA suchte insbesondere nach Möglichkeiten, die Leistungsfähigkeit der Steuerungssoftware für ihre E-Drive-Komponenten zu verbessern. Das Team mit Sitz in Redford, MI (USA), hat die modellbasierte Entwicklung bereits als Schlüsselkonzept für die Entwicklung eingebetteter Steuerungssoftware definiert. Dabei dient das Softwaremodell als grundlegendes Artefakt im Entwicklungsprozess - die funktionale Integrität und die Abdeckung der beabsichtigten Funktionalität werden in erster Linie auf der Ebene des Softwaremodells verifiziert. Die bestehenden und in der Produktion verwendeten Softwaremodelle werden im Rahmen eines kontinuierlichen Verbesserungsprozesses periodisch erweitert, um immer mehr Funktionalität einzubinden. Das bei MBRDNA in Frage kommende E-Drive-Softwaremodell dient als Grundlage für die Steuereinheit eines elektrischen Antriebssystems. Es steuert Funktionen wie Drehmoment und Zugkraft des elektrischen Antriebs. Diese Controller-Software wird auch für 48V-Systeme, reine E-Drive-Systeme und Brennstoffzellenprogramme verwendet.

Die MBRDNA-Strategie bestand darin, zunächst die Grundfunktionalität der Software zu implementieren. Als komplexere Anforderungen und zusätzliche Projektbeteiligte wie neue Entwickler:innen, Tester:innen und Applikateur:innen, hinzukamen, erkannte MBRDNA die Notwendigkeit, die „Komplexität zu verwalten“ und das komplexer gewordene Softwaremodell vergleichsweise leicht verständlich zu halten und die direkte Kommunikation im Team zu fördern. Das Softwaremodell war erheblich angewachsen, und dies wurde zum Hauptgrund für die Überarbeitung des Basismodells. Vor allem das Testteam für die Funktionalität der Softwaremodelle musste oft zusätzliche Anstrengungen zum Testen aufbringen.

Entwicklung eines systematischen Ansatzes für das Refactoring von Softwaremodellen

MBRDNA definierte zunächst eine Reihe von Zielvorgaben für das Refactoring von Softwaremodellen. Das Hauptziel war die Verbesserung der Testbarkeit und Verständlichkeit des Modells durch die Reduzierung der Komplexität. MBRDNA beabsichtigte sowohl die Komplexität auf Subsystemebene als auch die Komplexität auf der Ebene des gesamten integrierten Softwaremodells zu reduzieren. MBRDNA erfüllt die Sicherheitsstandards der ISO 26262, so dass für sie entscheidend ist, ihre Einheiten und Modelle gut zu strukturieren und nicht mit übermäßig komplexen Abschnitten zu versehen, da diese beim Testen und bei der allgemeinen Verwendung häufig Probleme verursachen. Übermäßig komplexe Abschnitte müssen in weniger komplexe und kleinere Einheiten aufgeteilt werden - idealerweise mit einer dedizierten Funktionalität pro Subsystem. Ein weiteres Ziel ist die Identifizierung potenzieller Bibliothekselemente, da dadurch die Gesamtkomplexität des Modells weiter reduziert wird. Der Ansatz von MBRDNA besteht darin, die Automatisierung auf das höchste Niveau zu heben. Im Einklang mit diesem Ziel hat MBRDNA nach einem Werkzeug zur Verbesserung der Modellarchitektur gesucht, um die Ergebnisse des Refactorings zu unterstützen und zu überprüfen. Langfristig sollte geprüft werden, ob ein solches Tool dazu beitragen kann, die kontinuierliche Kontrolle und Optimierung der Modellarchitektur als Teil des definierten Softwaredesignprozesses zu unterstützen.

Das richtige Tool für diese Aufgabe finden

Zur Unterstützung des Modell-Refactoring-Projekts wurden die Modellmetriken von MES* ausgewählt. Diese berechnen die lokale Komplexität von Softwaremodellen für jedes Subsystem und liefern auch die globale Modellkomplexität. Diese Funktion weist Benutzer:innen auch auf so genannte Hotspots des Modells hin. Hotspots sind Subsysteme des Modells, die überarbeitet und refaktorisiert werden sollten. Um die Wirkung eben dieser Funktion weiter zu optimieren, nutzte MBRDNA deren Flexibilität und passte sie an ihre spezifische Umgebung an. Insbesondere fügte MBRDNA spezifische Funktionsblöcke hinzu und bestimmte benutzerdefinierte Skalierungsfaktoren in der Konfiguration der Modellmetriken von MES*. Aufgrund dieser einfachen Konfigurierbarkeit konnte mithilfe von MES eine breite Palette von Metriken geliefert werden, die problematische Teile der MBRDNA-Modelle genau identifizieren. Sowohl qualitative als auch quantitative Analyse sind enthalten. Die quantitative Analyse umfasst die globale Gesamtkomplexität des Softwaremoduls. Diese Informationen werden im „Re-Architecting-Prozess“ und für die weitere Modularisierung von Software benötigt, bei der die globale Komplexität genutzt wird, um zu bestimmen, welches überdimensionale Softwaremodul in mehrere Softwaremodule aufgeteilt werden soll. Die qualitative Analyse lieferte MBRDNA-Informationen über fehleranfällige Hotspots innerhalb eines bestimmten Softwaremoduls. Dabei interessiert sich MBRDNA insbesondere für die lokale Subsystemkomplexität und die Frage, wie die Komplexität auf intelligente Weise begrenzt werden kann.

Angewandte Remodellierungstechniken

Auf der Grundlage der vom MES-Tool gelieferten Metriken entwickelte MBRDNA eine Reihe von Techniken zum Refactoring der identifizierten Softwaremodellteile und wandte diese an:

• Systematische Aufteilung übermäßig komplexer Subsysteme in eine Reihe weniger komplexer, funktionell kohärenter Subsysteme.
• Verwendung der Clone Group Detection von MXAM/MXRAY* zur Ermittlung redundanter Elemente/Blöcke im Modell (z. B. Blöcke für Polynome), die wiederholt verwendet werden. Diese redundanten Elemente werden dann zur MBRDNA-spezifischen Blockbibliothek oder zu einem referenzierten Modell hinzugefügt. Die Grundidee ist hier, redundante Modellkomponenten zu vermeiden, die einzeln geprüft und getestet werden müssen.

* Modellmetriken waren ursprünglich Bestandteil von MES M-XRAY (MXRAY). Die MXRAY-Funktionen sind inzwischen in den MES Model Examiner (MXAM) integriert und werden hier kontinuierlich weiterentwickelt.