Mercedes-Benz R&D North America:
Erhöhte Sicherheit und Effizienz im Softwareentwicklungsprozess bei Mercedes-Benz
Wie Mercedes-Benz Research & Development North America (MBRDNA) MES M-XRAY® einsetzen, um ihren modellbasierten Softwareentwicklungsprozess zu verbessern.
Als Forschungs- und Entwicklungszweig eines der renommiertesten Automobilhersteller der Welt ist das Entwicklungsteam von MBRDNA immer bestrebt die effizientesten und effektivsten Methoden und Prozesse bei der Entwicklung sicherer Software für ihre richtungsweisenden Automobilfunktionen, wie den E-Drive-Controller, einzusetzen. Es ist jedoch eine Herausforderung, einem bestehenden Softwareprogramm Funktionalität hinzuzufügen und gleichzeitig das Programm verständlich, wartungsfreundlich und testbar zu halten. Um dieses Ziel zu erreichen, sind auch beim Einsatz von modelbasierter Softwareentwicklung fortschrittliche Tools und Prozesse erforderlich.
Kontinuierliche Verbesserung der Steuerungssoftware: Der Bedarf an Refactoring
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.
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 wurde das Tool MES M-XRAY® (MXRAY) ausgewählt. MXRAY berechnet die lokale Komplexität von Softwaremodellen für jedes Subsystem und liefert auch die globale Modellkomplexität. Das Tool 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 von MXRAY weiter zu optimieren, nutzte MBRDNA die Flexibilität des Tools und passte es an ihre spezifische Umgebung an. Insbesondere fügte MBRDNA spezifische Funktionsblöcke hinzu und bestimmte benutzerdefinierte Skalierungsfaktoren in der MXRAY-Konfiguration. Aufgrund dieser einfachen Konfigurierbarkeit konnte das Tool eine breite Palette von Metriken liefern, die problematische Teile der MBRDNA-Modelle genau identifizieren. Das Tool bietet sowohl eine qualitative als auch eine quantitative Analyse. 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 von MXRAY 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 des MXRAY Clone Detection Features 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.
Positive Ergebnisse mit MES M-XRAY®
Senior Developer bei
MBRDNA
Die Analyse durch MES M-XRAY® zeigt fehleranfällige Hotspots innerhalb eines Softwaremoduls mit hoher Genauigkeit an. Laut Humphrey Achiri, Senior Developer bei MBRDNA, "hat MXRAY die allgemeine Lesbarkeit, Testbarkeit und Wartbarkeit unserer Softwaremodule erheblich verbessert". Darüber hinaus wiesen die Applikateur:innen von Mercedes-Benz darauf hin, dass "die Navigation durch die fertige Software während der Fahrzeugerprobung viel einfacher geworden ist, bei der die Zeit auf den Teststrecken eine Einschränkung darstellt". Für die Testingenieur:innen von Mercedes-Benz ist es auch bequemer geworden, MIL- und SIL-Testfälle (d.h. einfacheres anforderungsbasiertes Testen) zu erstellen, da die einzelnen Anforderungen besser auf die tatsächliche Umsetzung in bestimmten Teilsystemen abgestimmt wurden. Außerdem ist die Dokumentation der Software, dank der weniger komplexen einzelnen Subsysteme, einfacher geworden.
MBRDNA konnte das Hauptziel, die Verbesserung der Lesbarkeit, Testbarkeit und Wartbarkeit seiner Softwaremodule für die neue Generation von Hybrid- und vollelektrischen Fahrzeugen, erreichen. Auch die Dokumentation der Software wurde durch die Reduzierung der komplexen einzelnen Subsysteme vereinfacht. Zu den numerischen Ergebnissen, die während des Refactorings erzielt wurden, gehören:
- Die globale Komplexität, ein Maß für die Verständlichkeit und Lesbarkeit des gesamten Softwaremodells, wurde um etwa 10% reduziert. Dies bedeutet eine erhebliche Reduzierung des Aufwands, der für das Verständnis, die Wartung, das Testen und die Implementierung des refaktorisierten Softwaremodells erforderlich ist.
- Eine erhebliche Reduzierung der lokalen Komplexitätswerte wurde erreicht, und bei einigen Softwaremodulen wurde die Anzahl der komplexen Subsysteme auf Null reduziert.
Ergebnisse, die bei den Softfacts erzielt wurden:
- Anmerkung des Requirements-Engineering-Teams: "Wow - diese Softwaremodelle sind jetzt viel einfacher zu verstehen und zu bearbeiten." Mit der zusätzlichen Bedeutung des Modells für die 48V-Systeme von MBRDNA, reine E-Drive-Systeme und Brennstoffzellenprogramme, hat sich die Beherrschung der Komplexität auch für das Variantenmanagement als vorteilhaft erwiesen.
Außerdem hat sich der automatisch generierte Code nicht geändert, da die im Modell beschriebene Funktionalität nicht verändert wurde.
Angesichts der positiven, spürbaren Ergebnisse, der Prozessverbesserungen und des positiven internen Feedbacks ist der Aufwand, den MBRDNA für die Einrichtung von MES M-XRAY® und die Reformierung des gesamten Softwaremodells betrieben hat, sehr gut investiert worden. Das Feedback und die tatsächlichen konkreten Ergebnisse des Refactoring-Projekts sind sehr gut.
Ausblick auf das Komplexitätsmanagement bei MBRDNA
Director E-Drive-Software
bei MBRDNA
In Zukunft wird MXRAY die kontinuierliche Modelloptimierung und das Refactoring bei MBRDNA unterstützen. Die Prozessrichtlinien für die Entwicklung und das Refactoring großer Softwaremodelle für Controller-Funktionen bei MBRDNA werden eine Reihe von MXRAY-Prüfungen und Metriken als teamweite Best Practice zur Überwachung der Modellarchitektur über den gesamten Entwicklungsprozess hinweg vorsehen. MBRDNA plant außerdem, das Tool in seinen hochautomatisierten Continuous-Integration-Build-Prozess zu integrieren, der auf der Jenkins-Technologie basiert. Seit Beginn der Evaluierung hat MXRAY selbst auch einige wichtige Verbesserungen erfahren. Mit den neuen Funktionen von MXRAY, wie z.B. zusätzlichen Inkohärenz- und Schnittstellen-Effizienzmetriken, "kann der Prozess zur kontinuierlichen Modellverbesserung noch weiter rationalisiert werden", resümiert Alexander Dolpp, Director E-Drive Software bei MBRDNA.
Über MES: Software Quality. In Control.
Model Engineering Solutions GmbH (MES) ist das Kompetenzcenter für modellbasierte Software. Gegliedert in die drei Bereiche MES Quality Tools, MES Test Center und MES Academy bietet MES seinen Kunden optimale Unterstützung für die integrierte Qualitätssicherung. Die MES Quality Tools sind hierfür die Software-Werkzeuge. Der MES Model Examiner® (MXAM) ist die erste Wahl zur Prüfung von Modellierungsrichtlinien. Der MES Test Manager® (MTest) setzt das anforderungsbasierte Testen in der modellbasierten Entwicklung effizient um. Der MES Quality Commander® (MQC) ist das Qualitätsmonitoring-Werkzeug zur Bewertung der Qualität und Produktfähigkeit einer Software und liefert entscheidungsrelevante Kennzahlen während der Entwicklung eines Produktes. Das MES Test Center umfasst Testdienstleistungen vom Anforderungsmanagement über das Ableiten von Testspezifikationen und die automatisierte Testauswertung bis zum Qualitätsmonitoring. Die MES Academy bietet Schulungen und Seminare an und unterstützt Kunden mit firmenspezifischen Beratungs- und Dienstleistungsprojekten bei der Einführung und Verbesserung modellbasierter Entwicklungsprozesse, wie etwa in der Erfüllung von Normen wie IEC 61508, ISO 26262 und ASPICE. Zu den Kunden von MES zählen bekannte OEMs und Zulieferer der Automobilindustrie und Kunden aus der Automatisierungstechnik weltweit. MES ist TargetLink® Strategic Partner der dSPACE GmbH sowie Produktpartner von MathWorks und ETAS.