Herausforderung Onboard-Diagnose

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1 Herausforderung Diagnose in automotiven Softwaresystemen Die Komplexität in heutigen automotiven Softwaresystemen erfordert eine Diagnose, die es ermöglicht, im Fehlerfall die Fehlerursache zielgerichtet zu finden. Dabei wird unter dem Aspekt der Diagnose sowohl die Onboard- als auch die Offboard-Diagnose betrachtet. Nur beide zusammen können die Herausforderung bewältigen. Dieser Artikel zeigt auf, welche Ergebnisse erreicht wurden und welche Herausforderungen noch zu bewältigen sind. Von Peter Braitschink und Ulrich Siebel Zur Bewältigung einer durchgängigen Entwicklung der Gesamtdiagnose muss von der Spezifikationsphase über die Implementierungsphase bis zur Erprobungsphase Hand in Hand gearbeitet werden (vgl. Abbildung 1). Spezifikationsphase Implementierungsphase Erprobungsphase Offboard Diagnose Onboard Diagnose Onboard Diagnose Offboard Diagnose Abbildung 1 On- und Offboard-Diagnose Hand in Hand über den Entwicklungsprozess (abgeleitet von [1]) Aus dieser Herausforderung für die Gesamtdiagnose leiten sich die Herausforderungen für die Onboard- bzw. Offboard-Diagnose ab. Diese werden nachstehend aufgeführt und erläutert. Folgende Aspekte muss die Onboard-Diagnose bewältigen: - Formalisierte Beschreibung der Onboard-Diagnose - Zuverlässige Auslegung der Fehlererkennung bzw. Fehlerspeicherung - Intensive Diagnosetests

2 Die Offboard-Diagnose muss sich folgenden Herausforderungen stellen: - Diagnose auf Systemebene - Optimierte Nutzung der Fahrzeugdaten - Bewältigung der Fahrzeugvarianten - Symptomdiagnose auf Basis von Kundenbeschreibungen Herausforderung Onboard-Diagnose Die Onboard-Diagnose wird im Normalfall vom Fahrer nicht wahrgenommen. Die elektronischen Komponenten des Fahrzeuges werden hinsichtlich möglicher Fehler überwacht. Auf auftretende Fehler wird mit einer anwendungsspezifischen Fehlerbehandlung reagiert. Dabei stellen die Spezifikation der Onboard-Diagnose und deren zuverlässige Implementierung die größten Herausforderungen dar [3]. Formalisierte Beschreibung der Onboard-Diagnose Je früher mit der Beschreibung der Onboard-Diagnose in der Spezifikationsphase begonnen wird, desto detaillierter und exakter werden die Anforderungen im Kontext der Gesamtdiagnose. Durch den Standard ODX (Open Diagnostic data exchange) wird ein maschinenlesbares Format vorgegeben, welches es ermöglicht, die Beschreibung zu formalisieren. Auch mit ODX sind die Fehlersetzbedingung und die Qualifizierungsbedingung, das heißt, unter welchen Bedingungen ein Fehler erkannt und qualifiziert wird, in umgangssprachlicher Form verfasst. Mit den über den Standard verknüpften DTC (Diagnostic Trouble Codes) wird aber ein automatisiertes Weiterverarbeiten ermöglicht. Somit wird die Verknüpfung zwischen Anforderung und Entwurf verbessert und dadurch eine Nachvollziehbarkeit der Anforderungen erreicht. In der Erprobungsphase kann durch diese Verknüpfung eine Verbesserung der Verifikation erzielt werden, insbesondere im Hinblick auf die Variantenvielfalt der Systeme. Nicht alle möglichen Ein- und Ausgänge einer bestimmten Systemvariante sind mit der entsprechenden Sensorik bzw. Aktorik verschaltet, dadurch sind nicht alle beschriebenen Fehler einer Grundvariante möglich. Mit der Verknüpfung wird eine gezielte Verifikation ermöglicht und der Testerstellungsaufwand verringert. Die Fehlersetzbedingungen liegen aber weiter im Prosatext vor. In Konzeptansätzen wird schon seit einiger Zeit versucht, formale, das heißt widerspruchsfreie, oder modellbasierte Beschreibungen zu etablieren. Allein der zeitliche Vergleich des Aufwandes der Erstellung einer solchen Beschreibung zu der Verifikation des Systems, zeigt das Missverhältnis zwischen Aufwand und Nutzen. Zudem ist die korrekte, widerspruchsfreie Beschreibung über alle Systemvarianten oftmals nicht möglich.

3 Zuverlässige Auslegung der Fehlererkennung Insbesondere in der Implementierungsphase entscheidet die Auslegung der Fehlererkennung maßgeblich über die Qualität der Diagnose. Eine schlechte Qualität der Fehlererkennung und Fehlerspeicherung bzw. Fehlermanagement äußert sich dadurch, dass es zu Fehldiagnosen und somit zum Nachverfolgen von Phantomfehlern kommt. Die Qualität lässt sich vor allem durch die Verwendung von Standardsoftware, wie sie von der HIS oder AUTOSAR bereitgestellt wird, verbessern. Diese Standardsoftware bietet zurzeit grundlegende Diagnosefunktionalitäten, wie die Diagnosekommunikation und den Mechanismus zur Fehlerspeicherung. Die Standardisierung der Fehlererkennung gestaltet sich schwieriger, da diese sehr systemabhängig ist. Diese systemabhängigen Eigenschaften könnten aber durch eine Konfigurierbarkeit abgefangen werden. Die Konfiguration sollte sich dem ODX Standard so weit wie möglich annähern. Aber auch bei einer sehr zuverlässigen Auslegung der Fehlererkennung können nicht alle Fehlerursachen erfasst werden. Es kann sein, dass eine Fehlerursache nicht mit Onboard- Mitteln von einer anderen Fehlerursache unterschieden werden kann oder dass eine Fehlerursache mit den Möglichkeiten der Onboard-Diagnose gar nicht erfasst werden kann. Deshalb muss dokumentiert werden, wie die Offboard-Diagnose damit umgehen muss. Eine exakte Onboard-Fehlererkennung ist eine erhebliche Herausforderung. Versuche, diese Offboard nachzugestalten, z.b. durch modellbasierte Verfahren, stoßen auf Grund der speziellen Anforderungen der jeweiligen Systeme schnell an ihre Grenzen. Dieses Problem kann nur durch Re-Engineering der schon vorhandenen Fehlererkennung gelöst werden. Somit wirkt sich die Qualität der modellbasierten Diagnose proportional mit der Qualität ihrer Vorverarbeitung aus. Des Weiteren wirken sich Zeitabhängigkeiten so stark aus, dass eine Offboard-Diagnose oftmals nicht möglich ist. Intensive Diagnosetest In der Erprobungsphase sind intensive Diagnosetest notwendig, dazu gehören [1]: - der Test der Diagnosekommunikation - der Test der Diagnosefunktion - die Diagnoseerprobung im Gesamtfahrzeug - die Diagnose-Intensiverprobung Bei dem Test der Diagnosekommunikation werden das Diagnoseprotokoll und die Abläufe innerhalb der Diagnosekommunikation überprüft. Die Diagnosefunktionstests werden für Ver-

4 netzungs- und Spannungsfehler am Vernetzungs- bzw. Spannungs-HIL durchgeführt. Das durchgängige Testen der Fehlersetz- bzw. Rücksetzbedingungen der jeweiligen Steuergeräte befindet sich noch im Forschungsstadium. Die Diagnoseerprobung am Gesamtfahrzeug ist wichtig, da sich nur dort ein fehlerfreier Gesamtverbund, das heißt, ohne konstruktiv bedingte Fehler, aufbauen lässt. Im Gesamtfahrzeug lassen sich dann auch erstmals Systemfehler, also Fehler mit Auswirkung auf Systeme oder über Systeme hinweg, nachvollziehen. Gerade dieses Nachvollziehen von Systemfehlern ist ebenfalls wichtig für die Offboard- Diagnose. Bei der Diagnose-Intensiverprobung wird das Zusammenspiel zwischen Onboardund Offboard-Diagnose durch gezieltes Injizieren von Fehlern überprüft. Zurzeit wird dieses stichpunktartig bzw. auf Erfahrungswerten basierend durchgeführt. Zur systematischen Ü- berprüfung müsste neben der formalisierten Beschreibung der Onboard-Diagnose auch die Offboard-Diagnose stärker formalisiert werden. Herausforderung Offboard-Diagnose Die Diagnose im Kraftfahrzeug kann mit dem Ziel definiert werden [2]: Den Fehler nach Ort und Größe zu bestimmen und wenn möglich, die Fehlerursache anzugeben. Nicht immer ist auf Grund von technischen Möglichkeiten die Onboard-Diagnose in der Lage, die Fehlerursache direkt anzugeben. Daher ist es umso wichtiger, frühzeitig die Offboard-Diagnose in den Entwicklungsprozess zu integrieren. Diagnose auf Systemebene Heutige Fahrzeugsysteme (z. B. das Kombiinstrument) interagieren mit einer Vielzahl von anderen Systemen. Eine besondere Problematik dieser Interaktion ergibt sich aus der Möglichkeit, dass sich die Einzelsysteme in einem Gesamtsystem gegenseitig negativ beeinflussen können, obwohl sich jedes System isoliert betrachtet, korrekt verhält. Die Herausforderung besteht darin, dass diese Fehler auf Systemebene keine eindeutige Fehlerzuordnung zu einer Komponente ermöglichen. Insbesondere Vernetzungs- oder Spannungsversorgungsfehler wirken sich über die Systemgrenzen hinaus aus. Das Herauslösen von autarken Teilsystemen aus dem Gesamtsystem Fahrzeug ist auf Grund der Komplexität heutiger Fahrzeuge nicht realisierbar. Die Systemsicht, insbesondere in Bezug auf die Vernetzungs- und Spannungsversorgungsfehler, muss ein heutiges Offboard-Diagnosesystem bereitstellen. Moderne Fahrzeugfunktionen, beispielsweise die automatische Distanzregelung, verteilen ihre Funktion über mehrere Systeme. Diese Abhängigkeiten müssen schon in der Spezifika-

5 tionsphase für die Gesamtdiagnose berücksichtigt werden, damit die Fehlerursache ermittelt werden kann, auch wenn eine einzelne Komponente nicht direkt die Ursache erklären kann. Optimierte Nutzung der Fahrzeugdaten Die heutige Onboard-Diagnose verfügt über eine Vielzahl von elektronischen Daten, wie Fehlerspeichereinträge oder Messwerte. Das Potenzial der Fehlerspeichereinträge wird fast voll ausgeschöpft, das Potenzial der Messwerte ist bei weitem noch nicht ausgeschöpft. In der Erprobungsphase zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit des Gesamtfahrzeuges werden viele Messwerte benötigt. Damit die Offboard-Diagnose in der Lage ist, dieses Diagnosewissen zu nutzen, müssen in der Spezifikationsphase bei der Beschreibung der Onboard-Diagnose die Verknüpfungen von Fehlereinträgen und Messwerten beschrieben werden. Die Diagnose auf Systemebene wurde bereits thematisiert. Zusätzlich kommt hinzu, dass Fehler auf Systemebene meist sporadisch, das heißt, vereinzelt und zeitlich gestreut, auftreten. Die klassischen sporadischen Fehler im Kraftfahrzeug werden oft im Zusammenhang mit elektrischen Wackelkontakten aufgeführt. Das Problem der sporadisch auftretenden Fehler auf Systemebene ist mit einer zeitversetzt durchgeführten Diagnose nur schwer nachvollziehbar. Moderne Fahrzeuge speichern zu jedem aufgetretenen Fehler einen Datums- und Zeitstempel. Eine Herausforderung ist es, die zeitliche Beziehung der Fehlerereignisse miteinander zu korrelieren. Dazu muss das Systemwissen mit einbezogen werden, um nicht physikalisch zusammenhängende Ereignisse fälschlicherweise miteinander zu korrelieren. Bewältigung der Fahrzeugvarianten Besonders deutsche Automobilhersteller zeichnen sich durch eine große Variantenvielfalt aus. Dies können bis zu elektrische Varianten in einem Fahrzeugmodell sein. Jede Variante kann jedoch unterschiedliche Fehlersymptome bei gleicher Fehlerursache haben (beispielsweise zeigt die unterschiedliche Belegung von Massepunkte unter Umständen unterschiedliche Fehlerbilder bei Ausfall des Massepunktes). Die Diagnose muss jedoch auch dieses Problem beherrschen. Die korrekte widerspruchsfreie Beschreibung, das heißt, die formale Beschreibung, über alle Systemvarianten ist oftmals nicht möglich. Offboard-Diagnoseverfahren, wie die Modellbasierte Diagnose, die für jede Variante ein eigenes Modell benötigen oder komplett berechnet

6 werden müssen, stoßen schnell an ihre Leistungsgrenzen. Auch wenn durch Bibliotheksfunktionen für die einzelnen Modelle ein hoher Automatisierungsgrad erreicht werden kann, bedeutet dies ein nicht zu unterschätzenden Aufwand für die Systemauslegung der jeweiligen Variante. Die Vielzahl der Varianten wird oftmals erst in der Implementierungsphase deutlich, wenn alle Systeme integriert werden. Ein Offboard-Diagnoseverfahren muss so ausgelegt werden, dass es diese unterschiedlichen Varianten verarbeiten kann. Auf Grund der Systemkomplexität kann zwar nicht mehr die Fehlerursache eindeutig ermittelt werden, aber eine Wahrscheinlichkeitsabfolge der Fehlerursachen sollte bereitgestellt werden. Symptomdiagnose auf Basis von Kundenbeschreibungen Bei der Entwicklung von automotiven Softwaresystemen wird vermehrt ein funktionsorientierter Ansatz verfolgt. Dieser Ansatz eignet sich bei einfachen Fahrzeugfunktionen gut für die Diagnose, da der Fahrer einen direkten Bezug zur Funktion hat. Die Beobachtung korreliert dann zu der betroffenen Fahrzeugfunktion. Bei komplexen Fahrzeugfunktionen, wie beispielsweise dem Beschleunigen im Zusammenhang mit einer Geschwindigkeitsregelanlage, gehen die funktionalen Zusammenhänge und die Fahrerwahrnehmung aber auseinander. Der Fahrer beschreibt Fehlfunktionen anhand beobachteter Symptome. Die Offboard- Diagnose muss ausgehend von dieser Kundenbeschreibung eine gezielte Fehlersuche einleiten. Dazu ist es notwendig, dass schon in der Spezifikationsphase die Kundensymptome bei der Fehlerbeschreibung integriert werden. Eine weitere Herausforderung, der sich die Offboard-Diagnose stellen muss, ist, dass Symptome ohne Fehlerspeichereintrag auftreten. Oftmals ist es technisch oder wirtschaftlich nicht möglich, alle Fehlerursachen und somit Symptomauswirkungen Onboard zu erfassen. Die Offboard-Diagnose sollte dazu Möglichkeiten anbieten, mit dem vom Kunden geschilderten Symptomen die Fehlerursache zielgerichtet zu finden. Fazit Die Herausforderungen für die Onboard- bzw. Offboard-Diagnose zeigen deutlich auf, wie wichtig es ist, bereits ab der Spezifikationsphase von Systemen zusammenzuarbeiten. Die frühzeitige Zusammenarbeit bei komplexen automotiven Softwaresystemen entscheidet maßgeblich über die spätere Qualität des Produktes. Bereits in der Spezifikationsphase können dadurch Fehler vermieden und Fehlerquellen minimiert werden. In der Implementie-

7 rungs- und Erprobungsphase ermöglicht das zusammen erarbeitete Wissen gezielte Diagnose- und Testmöglichkeiten. Neben der gemeinsamen Beschreibung auf textueller Ebene werden zukünftig immer mehr modellgestützte Verfahren Einsatz finden. Es hat gezeigt, dass sich reine modellbasierte Diagnoseverfahren, das heißt, Verfahren, die nur auf Modellen beruhen oder rein formale Verfahren, die komplett widerspruchsfrei sind, sich in der Praxis in Bezug auf das Gesamtsystem Fahrzeug nicht etablieren können. Ziel muss es sein, komplexe und variantenreiche Systeme auf einfache Modelle abzubilden. Dabei kann es oftmals schon ausreichen, die physikalischen Verbindungen (Leitungen) als Modell abzubilden und diese mit den Onboard- Überwachungen zu verknüpfen. Quellen [1] Reich, Andreas: Diagnose als Schlüssel zur Beherrschung der Elektronik im Feld. Haus der Technik, [2] ISERMANN, Rolf: Überwachung und Fehlerdiagnose - Moderne Methoden und ihre Anwendungen bei technischen Systemen. VDI-Verlag, 1994 [3] P.Braitschink, U.Siebel, T.Scharnhorst, S.Ortmann, F.-P. Böhm Qualität und Diagnose in automotive Softwaresysteme VDI Fahrzeugelektronik im Fokus, Baden-Baden Spezial 2006 Autoren (Bild) Dr.-Ing. P. Braitschink Studierte Elektrotechnik an der Rheinisch-Westfälisch Technischen Hochschule (RWTH) und promovierte bei der Volkswagen AG im Bereich Elektrik/Elektronik-Entwicklung in der Abteilung Netzwerke und Diagnose. Seit zwei Jahren bei der Carmeq als Projektleiter für die Bereiche neue Diagnosekonzepte und ODX zuständig. peter.braitschink@carmeq.com (Bild) Dr.-Ing. U. Siebel Studierte Nachrichtentechnik an der Rheinisch-Westfälisch Technischen Hochschule (RWTH). Danach tätig als Entwicklungsingenieur bei Ansaldo Spa, Genua, im Bereich Walzwerktechnik. Im Anschluss daran Promotion an der TU BERLIN bei Prof. Petermann im Bereich Optische Nachrichtentechnik. Zuerst tätig im Kundendienst bei Audi, dann Wechsel zu Carmeq. Seit 2002 Leiter des Buisness Team Diagnose bei Carmeq. ulrich.siebel@carmeq.com