Einsatz von Simulationen in der Softwareentwicklung

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1 Einsatz von Simulationen in der Softwareentwicklung Dr. rer. nat. Olaf Maibaum Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. Simulations- und Softwaretechnik, Braunschweig Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und Softwaretechnik 1

2 Übersicht Projektphasen gemäß der ECSS-Norm Softwarelebenszyklus nach ECSS-Norm Simulation in den Projektphasen Soft- und Hardware in the Loop Test eingebetteter Systeme Verbundprojekt SiLEST Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 2

3 Projektphasen nach ECSS-Norm 4 Ein Projekt ist in Phasen aufgeteilt 4 Jede Phase wird mit einem Review abgeschlossen 4 Die in jeder Phase zu produzierende Projektdokumentation wird auf die Projektanforderungen zugeschnitten Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 3

4 Missionsanalyse/Ermittlung von Erfordernissen 4 Merkmale und Beschreibung der Mission 4 Zieldefinition 4 Operative Randbedingungen 4 Mögliches Systemkonzept 4 Kritikalitätsbewertung 4 Projektmangementdaten (Organisation, Kosten, Zeitplan) Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 4

5 Machbarkeit 4 Kritische Elemente benennen 4 Funktionsbaum 4 Systemkonzepte und deren Risikoanalyse 4 Technische und ökonomische Machbarkeit 4 Identifikation von Grenzen Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 5

6 Vorbereitende Definition 4 Technische Lösung für das Systemkonzept 4 Planung der technischen Projektdurchführung 4 Review der Systemanforderungen auf System Level 4 Make or Buy -Alternativen 4 Arbeitspacketaufteilung und Produktspezifikation 4 Bestätigung der Machbarkeit und Festlegung operativer Auflagen Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 6

7 Detailierte Beschreibung 4 Detailierte Systembeschreibung Ausführliche Studie der technischen Lösung Erstellen der maßgeblichen Komponenten 4 Endgültige Make or Buy -Entscheidung 4 Start von Technologieeinschätzung und Qualifikation 4 Initiiert die notwendigen Beschaffung für die Herstellung und die Qualifikation 4 Einführung von Schnittstellen innerhalb der Entwicklung und dem Konfigurationsmanagement der notwendigen Schnittstellendokumente 4 Vorbereitung von Aktivitäten für die Herstellung und Qualifizierung Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 7

8 Herstellung/Boden-Qualifizierung 4 Ende der Systementwicklung 4 Freigabe Production Master Plan und Nutzerhandbücher 4 Fertigung der Komponenten (Hardware und Software) 4 Qualifizierung Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 8

9 Nutzung 4 Startvorbereitung 4 Training der Bodenmannschaft 4 In-Flight -Qualifikation 4 Akzeptanz-Test des Systems 4 Nutzung Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 9

10 Ausserbetriebnahme 4 Entsorgung des Systems Räumen des Orbits kontrolliertes Verglühen in der Erdatmosphäre kontrollierter Absturz in unbewohnte Gebiete 4 Zusammenfassen der Projektergebnisse Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 10

11 Software-Lebenszyklus Software-Anforderung-Definition Software-Design-Definition Verifikation und Validierung Softwarebetrieb Softwarewartung Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 11

12 Simulation in den Phasen 0/A (1) 4 Verwendung innerhalb von Planspielen Überprüfen der technische Machbarkeit Abschätzen der Risiken Analyse der Missionskosten 4 Durchführung der Planspiele in Concurrent Design Facility (CDF) ESA/ESTEC Satellite Design Office (SDO) EADS Space Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 12

13 Simulation in den Phasen 0/A (2) 4 Teilnehmer der Planspiele sind Experten der unterschiedlichen technischen Disziplinen wie -System -Stromversorgung -Instrumente -Kommando- und Datenhandling -Missionsanalyse -Kommunikationssysteme -Antriebstechnik -Bodensysteme und Betrieb -Lage- und Orbitsteuerung -Simulation -Struktur/Konfiguration -Kostenanalyse -Mechanik/Pyrotechnik -Risikoabschätzung -Thermalsystem -Programmatik Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 13

14 Simulation in den Phasen B/C 4 Spezifikation und Verifikation von operationalen Anforderungen und funktionalen Anforderungen Regelgenauigkeit Grenzwerte Nebenbedingungen 4 Überprüfung der Regelalgorithmen hinsichtlich der Erreichung des Regelziels Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 14

15 Simulation in der 4 Validierung und Verifikation der entwickelten Hard- und Software Test gegenüber der in bei der Algorithmensimulation erzeugten Daten Hardware in the Loop Tests in Laborumgebung simulierter Umgebung Software in the Loop Tests Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 15

16 Simulation in den Phasen E/F 4 Abnahmetests 4 Training der Operatoren für Nominalbetrieb Krisensituationen Ausserbetriebnahme 4 Betriebsplanung Scheduling von Einzelmissionen Überprüfen von Kommandosequenzen Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 16

17 X in the Loop Test 4 Hardware in the Loop Testharness ist in Hardware ausgelegt 4 Software in the Loop Testharness ist in Software ausgelegt 4 Modell in the Loop Das System unter Test ist ein Modell des Systems 4 Man in the Loop Ein menschlicher Benutzer ist Teil des Loop Nachbildung der der Umgebung Testharness System unter Test Test Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 17

18 Hardware in the Loop Test mit Labormuster am Beispiel eines Luftlagertisches Bild: DLR Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 18

19 Hardware in the Loop Test mit Umweltsimulation Bild: EADS Astrium Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 19

20 Software in the Loop 4 Kopplung mit der Simulation auf Betriebssystemebene 4 Umgebungssimulation läuft auf dem System unter Test separaten Rechner Umgebungssimulation alternative Kommunikationsverbindung Betriebssystem Software unter Test Test Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 20

21 Ein Blick auf den Loop am Beispiel eines Sensors Physikalische Umwelt Physikalischer Effekt Messen Sensor-Prozessierung elektronische Schnittstelle Übertragungsmedium Simulierte Umwelt Effektbeschreibung Simulation der der Messung Sensorsimulation Protokollumsetzung Übertragungsmedium elektronische Schnittstelle Betriebssystemschnittstelle Software unter Test Test Protokollumsetzung angepasste BS-Schnittstelle Software unter Test Test Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 21

22 Vor- und Nachteile von Hardware in the Loop 4 Die Software unter Test kann ohne Eingriffe getestet werden 4 Simulation muß Echtzeit- und Synchronizitätsbedingungen erfüllen 4 Fehler in Harness ist nur schwer zu simulieren 4 Tests können nicht unterbrochen werden 4 Tests erfolgen aus einem Initialzustand heraus 4 Hardwareumgebung steht erst spät im Projekt zur Verfügung 4 Kostenintensiv und ortsgebunden 4 Schwierige Reproduzierbarkeit von Testabläufen Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 22

23 Vor- und Nachteile von Software in the Loop 4 Es sind Eingriffe in das Testobjekt notwendig 4 Das zeitliche Verhalten unterscheidet sich von dem realen Verhalten 4 Mit Funktionstests kann schon vor dem Vorliegen der Hardware begonnen werden 4 Keine teure Spezialhardware ist erforderlich 4 Enge Kopplung zwischen Simulation und Software unter Test 4 Leichte Reproduzierbarkeit von Testabläufen 4 Durch virtuelle Zeit Start/Stop-Betrieb der Simulation und der Software unter Test Ausgeweitete Debuggingmöglichkeiten Speichern und Wiederherstellen von Systemzuständen möglich Keine Echtzeitanforderungen an die Simulation notwendig Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 23

24 SiLEST (Software in the Loop for embbeded Software Test) 4 Verbundprojekt der Partner DLR Simulations- und Softwaretechnik, Braunschweig IAV GmbH, Berlin webdynamix GmbH, Cottbus Fraunhofer FIRST, Berlin 4 Gefördert durch das BMBF im Rahmen des Programms Softwareengineering Laufzeit Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 24

25 Ziele von SiLEST 4 Verallgemeinerter Testprozess für SiL-Softwaretests 4 Tailoringregeln für Anwendungsdomäne 4 Verallgemeinerte Testumgebung 4 Schnittstellenspezifikation für Simulationsmoduln 4 Vorbereiten der Standardisierung der Schnittstellen für die Sensor und Aktuatoren als Erweiterung des STEP-Standards (ISO 10303) 4 Generierung von Testfällen gemäß der FMECA 4 Automatisierung des Softwareintegrationstests eingebetteter Systeme Dr. Olaf Maibaum. DLR, Simulations- und 25