Ein detaillierter Leitfaden zur modellbasierten Entwicklung

Ein traditioneller Entwicklungsablauf, den die Teams befolgten, sah in etwa so aus:

Anforderungen in einer Microsoft Word-Datei festhalten -> Designsystem und Benutzeroberfläche in PowerPoint entwerfen -> Manuell programmieren -> System testen.

Das Hauptproblem bei diesem Ansatz bestand darin, dass die Teams erst nach der vollständigen Implementierung des Systems überprüfen konnten, ob es funktioniert. Wurde die Logik falsch verstanden, traten Probleme auf, deren Behebung mit hohen Kosten verbunden war.

Wenn beispielsweise bei der Implementierung eines Tempomats für Autos die Steuerungslogik direkt auf der Grundlage der reinen Anforderungen programmiert wird, können Teams bei Testfahrten Probleme wie plötzliche Beschleunigung, langsame Reaktion oder falsches Bremsverhalten feststellen. Die Behebung dieser Probleme dauert anschließend Wochen.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wurde um 1960 in der Luft- und Raumfahrtindustrie die modellbasierte Entwicklung (MBD) eingeführt. Dabei wird die Systemlogik mithilfe ausführbarer Modelle erstellt und getestet, bevor der endgültige Code geschrieben wird.

Lassen Sie uns genauer betrachten, was MBD ist, wie es Schritt für Schritt funktioniert, wie es sich von der herkömmlichen Entwicklung unterscheidet und welche bewährten Methoden es für eine erfolgreiche Umsetzung gibt.

Was ist modellbasierte Entwicklung (MBD)?

Die modellbasierte Entwicklung oder das modellbasierte Design ist ein Ansatz zur Systementwicklung im Ingenieurwesen, bei dem digitale Modelle verwendet werden, um Systeme zu entwerfen, zu simulieren und zu testen, bevor auch nur eine einzige Zeile Code geschrieben wird. Digitale Modelle werden anhand verschiedener Arten von Anforderungsdiagrammen erstellt, darunter Blockdiagramme, Zustandsdiagramme, Aktivitätsdiagramme usw., die Informationen über das Systemverhalten, die Steuerlogik, Ein- und Ausgänge sowie den zeitlichen Ablauf enthalten.

Der Hauptvorteil von MBD ist die Echtzeitsimulation. Anstatt komplette Systeme zu entwickeln und zu testen, können Teams das Modell wie einen funktionierenden Prototyp ausführen und prüfen, wie es unter realen Bedingungen reagiert. Dies trägt dazu bei, das Design frühzeitig zu validieren, Überraschungen in späteren Phasen zu vermeiden und die Entwicklungskosten erheblich zu senken.

MBD wird vor allem in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigungsindustrie, der Automobilindustrie, der Robotik usw. eingesetzt, in denen Teams komplexe Software, Hardware oder physische Bauteile entwickeln müssen.

Kurz gesagt: MDB hilft Teams dabei, bereits in der Entwurfsphase zu überprüfen, wie sich das gesamte System verhält, und die Genauigkeit des Systems zu verbessern.

Wie funktioniert die modellbasierte Entwicklung?

Bei der modellbasierten Entwicklung (MBD) wird ein strukturierter Arbeitsablauf befolgt, bei dem das Modell als zentrales Arbeitsinstrument und nicht nur als einfache Zeichnung betrachtet wird. Hier ein kurzer Überblick über den Lebenszyklus der modellbasierten Entwicklung:

1) Erstellen Sie zunächst ein Systemmodell

Der erste Schritt besteht darin, auf der Grundlage definierter Anforderungen Anforderungsdiagramme (digitale Modelle) zu erstellen. Diese stellen das Systemverhalten dar und zeigen, wie das System in verschiedenen Szenarien auf unterschiedliche Eingaben und Bedingungen reagiert. Diese Modelle können mithilfe von Zustandsmaschinen, Gleichungen oder einem Diagramm auf Architekturebene erstellt werden. Die Teams müssen sicherstellen, dass das Diagramm Eingaben, Ausgaben, Logik, Steuerungsverhalten, Zeitabläufe usw. klar darstellt.

2) Führen Sie Simulationen durch, um das Verhalten zu überprüfen

Verwenden Sie anschließend ein beliebiges Simulationswerkzeug wie Modern Requirements4DevOps, um das Verhalten des Systems in einer virtuellen Umgebung zu simulieren. Damit können Teams testen, wie sich das System in realistischen Szenarien verhält, und potenzielle Probleme aufdecken, ohne Systemprototypen entwickeln zu müssen.

3) Verifizierung und Validierung

Sobald die Simulationsergebnisse vorliegen, sollten Verifikation und Validierung des Systems durchgeführt werden. Die Verifikation dient dazu, sicherzustellen, dass das System alle dokumentierten Anforderungen erfüllt, während die Validierung gewährleistet, dass das System seinen beabsichtigten Zweck erfüllt.

In ausgereiften MBD-Projekten prüfen die Teams außerdem:

• Anforderungsabdeckung (Haben wir jede Anforderung getestet?)
• Szenarioabdeckung (Haben wir alle Bedingungen getestet?)
• Modellabdeckung (wurden alle Logikpfade ausgeführt?)
  
  

Diese Rückverfolgbarkeit in Echtzeit stärkt das Vertrauen der Teams, die in regulierten Branchen tätig sind.

5) Codegenerierung

Wenn das System einwandfrei funktioniert, wird der Code in der gewünschten Programmiersprache (bei eingebetteten Systemen üblicherweise C/C++) automatisch auf der Grundlage des Modells generiert. Bei der automatischen Codegenerierung mithilfe eines KI-Tools ist die Fehlerwahrscheinlichkeit sehr gering.

6) Das Modell in kurzen Zyklen verfeinern

Sollte das System ausfallen oder sollten bestimmte Bedingungen aktualisiert werden müssen, passen Sie den Entwurf an und testen Sie das System erneut. Durch diesen wiederholten Zyklus lässt sich das System in kurzen Abständen kontinuierlich verbessern. 

Darüber hinaus können Teams die Systeme auf der Grundlage von Daten aus realen Testläufen optimieren und so die Genauigkeit des Systems im Laufe der Zeit verbessern.

7) In die Zielplattform integrieren

Der generierte Code wird dann mit dem Rest des Systems verbunden, etwa so:

• Fahrer
• Kommunikationsschichten (CAN, LIN, Ethernet usw.)
• Hardware-Schnittstellen
• Scheduling-Logik von Betriebssystemen und Echtzeitbetriebssystemen
  
  

Dieser Schritt bestätigt, dass die modellierte Logik in der realen Umgebung korrekt funktioniert.

Modellbasierte Entwicklung vs. traditionelle Entwicklung