Durchgängigkeit und Traceability in der Entwicklung ISO konformer Systeme mit Model-Based Design

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1 Durchgängigkeit und Traceability in der Entwicklung ISO konformer Systeme mit Model-Based Design Dr. Marc Born, Dr. Olaf Kath; ikv++ technologies ag Dr. Mirko Conrad, Guido Sandmann; MathWorks

2 Abstract Die ISO stellt hohe Anforderungen an die Durchgängigkeit und Traceability bei der Entwicklung sicherheitsgerichteter Systeme. Die von der ISO geforderten Nachweise sind ausgehend von Gefährdungssituationen und den darauf basierenden ASIL Einstufungen über die Definition von Sicherheitszielen und Sicherheitsanforderungen sowie die Erstellung der Sicherheitsarchitektur bis hin zum resultierenden Code durchgängig zu erbringen. Die Sicherheitsanalysen und Verifikationsaktivitäten sind entsprechend zu dokumentieren. Das stellt hohe Anforderungen an die eingesetzten Werkzeuge. Model-Based Design das sich mittlerweile zum de-facto Standard für die Entwicklung von vernetzten Fahrzeugfunktionen in der Automobilindustrie entwickelt hat eröffnet Ingenieuren die Möglichkeit, bereits in den frühen Entwicklungsphasen die Konsistenz der Modelle mit den Anforderungen und das funktionale Verhalten abzusichern. Daher ist dieser Ansatz auch sehr gut für die Entwicklung sicherheitsrelevanter Anwendungen geeignet. Model-Based Design mit den Aspekten Modellierung und Simulation, Automatische Seriencodegenerierung, sowie Modell- und Code-basierte Verifikation & Validierung ist auch eines der Paradigmen, die der Standard ISO entsprechend für die Softwareentwicklung vorschlägt. Um darüber hinaus die effiziente Erhebung von Sicherheitsanforderungen und die Ausführung von Sicherheitsanalysen zu gewährleisten, ist eine enge Integration der genannten Methoden mit den induktiven und deduktiven Analysemethoden wie FMEA und FTA erstrebenswert. In diesem gemeinsamen Beitrag von MathWorks und ikv++ technologies werden wir auf die Umsetzung der oben genannten Anforderungen durch eine modellbasierte Werkzeugkette eingehen und dabei Schwerpunkte auf die folgenden Aspekte legen: iterative Erhebung und Allokation von Sicherheitsanforderungen und Verifikation der Sicherheitsziele mit induktiven und deduktiven Sicherheitsanalysen modellbasierte Erstellung der Sicherheitsarchitektur und des Systemdesigns Einsatz von Fehlerinjektion zur Verifikation des Systemverhaltens bezüglich angenommener Fehler Model-Based Design: Verifikation & Validierung von Modellen und automatisch generiertem Seriencode 2

3 Überblick Anforderungen der ISO Abdeckung durch modellbasierte Entwicklung und konsequenten Werkzeugeinsatz Evaluierung durch Kunden Ausblick 3

4 FuSi-Methoden/Aktivitäten Fahrsituationen Gefährdungsanalyse Risikobewertung Beherrschbarkeitsanalyse Sicherheitsziele Sicherheitsanforderungen Funktionales Sicherheitskonzept Änderungsverfolgung Sicherheitsnachweis Fehlermodus und Einflussanalyse Unabhängigkeitsnachweis Konfigurationsmanagement Fehlerbaumanalyse Hardwaremetriken Sicherheitsarchitektur Eine Vielzahl von Methoden sind zu benutzen 4

5 ISO und modellbasierte Entwicklung modellbasierte Entwicklung fest im Standard verankert Flexibilität hinsichtlich standard-konformer Umsetzung von modellbasierten Prozessen und Werkzeugketten 5

6 ISO und Model-Based Design zahlreiche allgemeine Anforderungen lassen sich durch modellbasierte Entwicklung und integrierte Werkzeuge effizient erfüllen 6

7 ISO Arbeitsergebnisse und Beispielwerkzeuge dev Konzept Anforderungen Entwicklung medini analyze Architecture Vorläuf. (Func/Struct) Architektur Hazard & Risk Gefahrenlisten Analysis Design Simulink / Stateflow / Simulink Fixed Point Simulink Coder / Embedded Coder Fehlerbäume FTA Integrierte, modellbasierte Werkzeuglösung: Traceability, Konsistenzprüfung, Report Erzeugung Impact Analyse, Diff/Merge FMEA-Tabellen FME(D)A SW Modelle HW Modelle Seriencode Unit Test Reports Unit-Testfälle Validierung Resultate Sicherheits- Safety anforderungen Requirements Item- Item Definition Beschreibung Integrations- Integration Test testfälle Coverage- Tabellen Validation Plan val medini analyze Simulink Verification and Validation / Simulink Design Verifier import import/export generate Komponententests Integrationstests Validierung Abnahme/SOP Konfigurationsmanagment 7

8 Nutzen modellbasierten Vorgehens: ausgewählte Beispiele Nachvollziehbarkeit bei Anforderungserhebung und Sicherheitsanalysen Modellbasierte Fehlerinjektion Effiziente Reviewes und Aufgabenverwaltung Statische Analyse auf Modellebene Werkzeugqualifizierung Absicherung der Werkzeugkette Nachvollziehbarkeit zwischen Modell und generiertem Code 8

9 Beispiel: Nachvollziehbarkeit bei Anforderungserhebung und Sicherheitsanalysen G&R-Einträge führen zu zu Sicherheitszielen Für Für Sicherheitsziele sind ASIL abhängig quantitative Nachweise zu zu erbringen Zur Zur Nachweisführung sollte der der Algorithmus herangezogen werden 9

10 Beispiel: Nachvollziehbarkeit bei Anforderungserhebung und Sicherheitsanalysen Bei integrierten Werkzeugen können Nachvollziehbarkeitsketten aufgestellt und für Planung/Überprüfung/Dokumentation benutzt werden. 10

11 Beispiel: Effiziente Reviews und Aufgabenverwaltung Zusammenhänge zwischen Sicherheitsanalyse (FTA) und Softwaremodell (Simulink) sind erfassbar Die Sicht der Modellelemente wird auf den notwendigen Kontext beschränkt Aufgaben werden im Werkzeug verwaltet und enthalten Verweise auf Modellelemente 11

12 Beispiel: Fehlerinjektion Fehlerinjektion basiert auf einer Bibliothek von konfigurierbaren Fehlermodellen (hier Simulink) Ausgangspunkt ist ist eine Sicherheitsanalyse (hier FMEA) 12

13 Beispiel: Fehlerinjektion Injektion des Fehlers in in das Simulink Modell Der Fehler wird in in den Signalweg injiziert 13

14 ISO Referenz-Workflow Software-Entwicklungsprozess / Werkzeugkette Item Definition Validation Plan Validierung Resultate FTA/DC FMEDA medini analyze Simulink / Stateflow / Simulink Fixed Point FTA Simulink Coder / Embedded Coder FME(D)A FMEA SW Modelle HW Modelle Generierter Seriencode Architecture Architektur (Funk/Strukt) (Func/Struct) Hazard & Risk G&R Analysis Sicherheits- Safety anforderungen Requirements Integrations- Integration Test tests Unit Test Reports Unit Tests medini analyze Simulink Verification import and import/export generate Validation / Simulink Design Verifier Konfigurationsmanagment Simulink / Stateflow / Simulink Fixed Point Simulink Coder / Embedded Coder 14

15 ISO Referenz-Workflow Verifikation und Validierung von Modellen und generiertem Code beispielhafter, ISO konformer V&V-Prozess für Software, die mittels Model-Based Design und Codegenerierung erstellt wird Schwerpunkt auf analytischer Qualitätssicherung durch systematische Absicherung von Modellen und generiertem Code entwickelt in Kooperation mit TÜV SÜD und automotiven Anwendern illustriert und unterstützt die Anforderungen aus ISO Ausgangspunkt für die Etablierung ISO konformer SW- Entwicklungsprozesse bzw. die Adaption bestehender Prozesse an die Norm 15

16 ISO Referenz-Workflow Verifikation und Validierung von Modellen und generiertem Code Modell-Verifikation Frühzeitige Aufdeckung von Designfehlern Code Verifikation Absicherung des generierten Codes 16

17 ISO Referenz-Workflow Verifikation und Validierung - Werkzeugkette Simulation-based testing (Simulink, Simulink V&V); Model coverage, RMI (Simulink V&V) Modeling guidelines checking (Simulink V&V); Design Error Detection (Simulink Design Verifier) Test case generation (Simulink Design Verifier); SIL / PIL testing (Embeded Coder) Traceability report (Embedded Coder); Traceability matrix generation (IEC Certification Kit) Simulink / Stateflow / Simulink Fixed Point Simulink Coder / Embedded Coder 17

19 Beispiel: Statische Analyse auf Modellebene (I) Modeling Guidelines Checking Model Advisor: Automatische Überprüfung von Simulink- Modellen bzgl. Modellierungsrichtlinien This Absolute Value block is operating on an unsigned value which may result in unreachable code. This relational operator block is not outputting a boolean data type which can lead to unpredictable results in the generated code. These root-level Inport blocks have undefined attributes. This Absolute Value block is operating on a signed integer value but saturate on integer overflow is not set, which can lead to incorrect results in the generated code. 19

20 Beispiel: Statische Analyse auf Modellebene (II) Design Error Detection 20

22 Beispiel: Nachvollziehbarkeit von Anforderungen während der Software-Entwicklung Traceability Matrix Generation IEC Certification Kit: Nachweisführung bzgl. Umsetzung der Anforderungen im Modell und generiertem Code Demonstration der Abwesenheit unerwünschter Funktionalität 22

23 Beispiel: Absicherung der Werkzeugkette Ziele To provide criteria to determine the required level of confidence in a software tool ISO To provide means for the qualification of the software tool to create evidence that the software tool is suitable to be used to tailor the activities or tasks required by ISO (i.e. the user can rely on the correct functioning of a software tool for those activities or tasks required by ISO 26262) Vorgehensweise zur Schaffung von Vertrauen in die korrekte Funktionsweise der eingesetzten Werkzeuge 1. Werkzeugklassifikation: Ermittlung des notwendigen Vertrauensgrades (Tool Confidence Level) 2. Werkzeugqualifizierung: Etablierung des notwendigen Vertrauens (falls erforderlich) 3. Dokumentation: Effiziente Verwaltung aller getroffenen Entscheidungen, Annahmen und Maßnahmen 23

24 Beispiel: Werkzeugklassifikation Simulink Verification and Validation Referenz-Workflow und Use Cases Generische Werkzeugklassifikation 24

25 Beispiel: Werkzeugqualifizierung Simulink Verification and Validation Validierungsreport Validierungssuite 25

26 Beispiel: Dokumentation Vorqualifizierung + Checklisten im ISO Projekt Erleichterte Verwaltung aller Informationen 26

27 Evaluierung durch einen Anwender* Ergebnisse des Pilotprojekts Traceability und Konsistenzhaltung Traceability zwischen allen sicherheitsbezogenen Artefakte sowie Systemmodellen z.b. Hazards, Sicherheitsziele und -anforderungen, FTA, FMEA Allokationen zu Systembeschreibungen (Anforderungen/ASIL) Prävention von Fehlern bei der Erstellung der Arbeitsprodukte durch: spezifische Editoren zum strukturierten Vorgehen standardisierte Auswahlmöglichkeiten Gewährleistung der Konsistenz durch referenzielle Integrität Automatisierte Konsistenzprüfung zum Entdecken von Inkonsistenzen innerhalb der Dokumente, z.b. falsche Zuordnungen bei der ASIL Bestimmung fehlende Elemente in der SEFA (FMEA) In Excel nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand(!) Erprobung einer modellbasierten integrierten Werkzeuglösung für funktionale Sicherheit bei GM *Vortrag auf Software im Automobil

28 ISO 26262, modellbasierte Entwicklung und Werkzeugintegration Fazit Model-Based Design ist in der ISO fest verankert Zahlreiche geforderte Arbeitsergebnisse erfordern einen hohen Grad an Nachvollziehbarkeit und Konsistenz Integrierte Werkzeugketten sind ein Mittel, um die Anforderungen effizient zu erfüllen In der Praxis zeigen sich deutliche Vorteile gegenüber konventionellem Vorgehen, z.b. durch Verschieben von Verifikations- und Validierungsaktivitäten auf die Modellebene Werkzeughersteller müssen zunehmend kooperieren um Kundenwünsche abzudecken 28

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit we automate system creation Change the world by Accelerating the pace of discovery, innovation, development, and learning in engineering and science 29