Markus Pister (Autor) Integration formaler Fehlereinflussanalyse in die Funktionsentwicklung bei der Automobilindustrie

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1 Markus Pister (Autor) Integration formaler Fehlereinflussanalyse in die Funktionsentwicklung bei der Automobilindustrie Copyright: Cuvillier Verlag, Inhaberin Annette Jentzsch-Cuvillier, Nonnenstieg 8, Göttingen, Germany Telefon: +49 (0) , Website:

2 Zusammenfassung Hohe Anforderungen an die Funktionssicherheit eines Automobils fordern von der Entwicklung ein Vorgehen, bei dem die Einhaltung der Funktionssicherheit überprüft werden kann. In der Praxis werden zur Verifikation der Funktionssicherheit die Fehler-Möglichkeits- und Einfluss-Analyse (FMEA) und die Fehlerbaumanalyse (FTA) eingesetzt. Der steigende Anteil präziser formaler Modelle in der Entwicklung ermöglicht den steigenden Ansprüchen aus Normen und der Automobilindustrie hinsichtlich der Funktionssicherheit gerecht zu werden. Bei geeigneten formalen Modellen kann weiter die Verifikation teilweise automatisiert und so die Qualität der Entwicklung auf einen konstant hohen Stand gebracht werden. Der Schwerpunkt der Arbeit ist der Entwurf formaler Modelle und Modellierungstechniken mit denen die FMEA und die FTA formal durchgeführt werden können. Die Modelle und Modellierungstechniken beschreiben das Verhalten der Systeme oder Beziehungen zwischen Systemverhalten. Sie sind für eine Integration mit bestehenden Artefakten der Entwicklung geeignet. Die Verhaltensmodellierung ist an die in der Entwicklung verwendeten Modellierungswerkzeuge, wie Simulink TM, und an die verwendeten Dokumente der Entwicklung angepasst. Konsistent zur Verhaltensmodellierung werden Modellierungstechniken für Fehlverhalten definiert. Fehlverhalten werden als Modifikationen des Sollverhaltens ausgedrückt. Um die möglichen Fehlverhalten eines Systems zu erfassen, werden potentielle Fehler, die Fehlverhalten verursachen können, vorgegeben. Zu den jeweiligen Modellierungstechniken für Fehler wird allgemein der Begriff des Fehlerzusammenhangs formal definiert. Weiter werden spezifische in den Methoden FMEA und FTA verwendete Zusammenhänge formalisiert, um eine Automatisierung zu ermöglichen. Abschließend zeigt die Arbeit Möglichkeiten auf, die Durchführung der Analysen zu automatisieren. iii

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Motivation und Problemstellung Beitrag der Arbeit Begleitende Fallstudien Related Work Kapitelübersicht Funktionssicherheitsanalyse Definitionen (Terminologie) Fehler Zusammenspiel von Fehlern Bewertung der Fehler Sicherheitsanalyse in der Systementwicklung Fehler-Möglichkeit- und Einfluss-Analyse Fehlerbaumanalyse Zusammenführung von Analysen Zusammenfassung Grundlegende Modelle und Modellierungstechniken Referenzmodelle Modellierung der Systeme Modellierung der Verhaltensebene Modellierung der Implementierungsstruktur Modellierungstechniken Blackbox Spezifikationen Spezifikation mit zu Ausgabekanälen aufgelösten Gleichungen 57 iv

4 3.3.3 Spezifikation mit Zustandsautomaten Spezifikation mit Betriebsmodi-Automaten Spezifikation der kontinuierlichen Anteile Abhängigkeiten zwischen Modellen Komposition Verfeinerung Ansatzpunkte für Fehlerbeschreibungen Zusammenfassung Fehlermodelle, -modellierung und -ermittlung Fehlermodellierung auf Verhaltensebene Modellierungstechniken fürfehler Modifikation von Black-Box-Spezifikationen Modifikation von aufgelösten totalen Gleichungen Modifikation von Zustandsautomaten Modifikation von Betriebsmodi-Automaten Fehler in der Implementierungsstruktur Fehlerinduktion in Verhaltensmodelle Spezifische Fehlerbilder aus Fallstudien und Literatur Fehlverhalten an der Nutzungsschnittstelle der Software Fehler in der Implementierungsstruktur Zusammenfassung Zusammenhangsmodelle, -modellierung und -ermittlung Zusammenhänge auf Verhaltensebene Folgefehler auf Verhaltensebene Fehlerauswirkung auf Verhaltensebene Spezifische Modelle und Ermittlungstechniken Zusammenhänge bei Black-Box-Spezifikationen Zusammenhänge bei aufgelösten totalen Gleichungen Zusammenhänge bei Zustandsautomaten Integration der Implementierungsstruktur Fallstudie Zusammenfassung v

5 6 Werkzeuge und Analysetechniken Analysetechniken fürverhaltensmodelle Syntaktische Analyse Simulation und Test Boolesche Verifikation modulo Theorien Abstraktionsmechanismen Spezifische Umsetzungen mit Analysewerkzeugen Systemstrukturbaum, Anforderungs- und Fehlerzuordnung Anforderungsabhängigkeit Fehlerabhängigkeit Fallstudie Struktur Anforderungsabhängigkeit Fehlerzusammenhänge Zusammenfassung Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick A Generierung der FMEA-Struktur 203 A.1 Systemstrukturbaum A.2 Anforderungszuweisung A.3 Fehlerzuweisung B Ermittlung der Funktionsabhängigkeiten in Komponenten 215 B.1 Ausgabeabhängigkeiten B.2 Verhaltensbedingungen C Ermittlung der Fehlerabhängigkeiten 222 C.1 Verhaltensbedingungen C.2 Ausgaben vi