Gewährleistung der Sicherheit durch Verifizierung und Validierung in ADAS

Die Automobilindustrie hat bei Fahrerassistenzsystemen (ADAS) erhebliche Fortschritte erzielt. Diese Systeme, zu denen unter anderem intelligente Geschwindigkeitsregelung, adaptive Geschwindigkeitsregelung, Spurhalteassistent und automatische Notbremsung gehören, unterstützen den Fahrer und erhöhen die Fahrzeugsicherheit.

ADAS spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Fahrzeugsicherheit. Die Gewährleistung der Zuverlässigkeit dieser Systeme ist jedoch ebenso wichtig wie die Entwicklung neuer Funktionen. Deshalb sind Verifizierungs- und Validierungsprozesse (V&V) bei der ADAS-Entwicklung von entscheidender Bedeutung. Sie helfen Ingenieuren, die korrekte Funktion der Systeme unter allen Bedingungen sicherzustellen. Ohne strenge Tests können ADAS in der Praxis versagen, was zu Sicherheitsrisiken und Compliance-Problemen führt.

Verifizierung und Validierung verstehen

Verifizierung und Validierung sind zwei unterschiedliche, aber miteinander verbundene Prozesse in der Software- und Systementwicklung.

Bei der Verifizierung wird ein Produkt, eine Dienstleistung oder ein System bewertet, um festzustellen, ob es bereits zu Beginn der Entwicklungsphase den geltenden Vorschriften, Anforderungen und Spezifikationen entspricht. Dieser interne Prozess konzentriert sich auf die Prüfung von Dokumenten, Designs, Code und Programmen, um sicherzustellen, dass sie gemäß den definierten Kriterien korrekt erstellt wurden.

Da für die Verifizierung keine Codeausführung erforderlich ist, wird sie oft als statischer Test bezeichnet. Zu den üblichen Verifizierungsaktivitäten gehören Dokumentenprüfungen, exemplarische Vorgehensweisen, Inspektionen und manuelle Analysen.

Validierung stellt sicher, dass ein Softwareprodukt die Bedürfnisse und Erwartungen seiner vorgesehenen Benutzer in der vorgesehenen Umgebung erfüllt. Im Gegensatz zur Verifizierung ist Validierung ein externer Prozess, bei dem das eigentliche Produkt getestet wird, um sicherzustellen, dass es korrekt funktioniert und die Benutzeranforderungen erfüllt. Da Validierung die Ausführung des Codes erfordert, wird sie oft als dynamisches Testen bezeichnet. Gängige Validierungstechniken sind Black-Box-Tests, White-Box-Tests und verschiedene Arten nichtfunktionaler Tests.

Herausforderungen bei der ADAS-Verifizierung und -Validierung

Trotz ihrer Bedeutung stellt ADAS V&V aufgrund der Komplexität der Technologie, der Sicherheitsstandards und der Echtzeit-Leistungsanforderungen einige Herausforderungen dar. Im Folgenden sind einige der wichtigsten Herausforderungen aufgeführt, denen sich Ingenieure bei ADAS-Tests stellen müssen.

Komplexität von Software und Algorithmen

ADAS basiert auf einer Kombination aus Sensoren (Radar, LiDAR, Kameras), Echtzeit-Datenverarbeitung, maschinellem Lernen und Steuerungsalgorithmen. Diese Komponenten müssen reibungslos zusammenarbeiten, um die Umgebung zu interpretieren und Fahrer präzise zu unterstützen. Da ADAS bei unterschiedlichen Wetterbedingungen, Lichtverhältnissen und Verkehrsszenarien funktionieren muss, müssen Ingenieure Tausende von Möglichkeiten simulieren und testen, um die Leistungszuverlässigkeit sicherzustellen.

Bei dieser hohen Komplexität ist eine manuelle Überprüfung aller möglichen Systemverhalten nahezu unmöglich. Daher hat sich ein Team aus Automobilherstellern, Tier-1-Zulieferern und Forschungseinrichtungen zusammengeschlossen und den Standard ISO/PAS 21448, auch bekannt als SOTIF (Safety of the Intended Functionality), entwickelt.

Der Standard befasst sich mit Sicherheitsbedenken bei ADAS, die über die traditionelle funktionale Sicherheit (ISO 26262) hinausgehen. Im Gegensatz zu ISO 26262, bei dem der Schwerpunkt auf der Vermeidung von Ausfällen aufgrund von Hardware- und Softwarefehlern liegt, befasst sich SOTIF mit Gefahren, die sich aus Systembeschränkungen, Sensorfehlinterpretationen und unvorhergesehenen Betriebsszenarien ergeben, selbst wenn keine Systemdefekte vorliegen.

Ingenieure benötigen außerdem Softwaretest-Tools, um:

• Bewältigen Sie die Komplexität.
• Testen Sie die große Anzahl an Szenarien effizient und sicher.
• Erkennen Sie potenzielle Fehler, bevor die Fahrzeuge auf die Straße kommen.

Einhaltung von Automobilnormen und -vorschriften

Die ADAS-Konformität basiert auf verschiedenen Standards.

• SOTIF für Schlüsselsicherheit
• ISO 26262 für funktionale Sicherheit
• Automotive SPICE für Software-Entwicklungsreife

ISO 26262 schreibt strenge V&V-Prozesse sowie risikobasierte Sicherheitsintegritätsstufen für Kraftfahrzeuge (ASILs). Dennoch entstehen mit den Fortschritten in der Automatisierung und der zunehmenden Nutzung automatisierter Fahrsysteme (ADS) in der selbstfahrenden Technologie weiterhin neue Vorschriften.

Beispielsweise regelt die seit September 171 in Kraft getretene UN-Richtlinie R2024 Fahrerassistenzsysteme (DCAS) in 59 Ländern und legt dabei den Schwerpunkt auf Fahrereinbindung und Systemleistung. Sie legt klare Anforderungen an Fahrerüberwachung, Systemeingriffe und Betriebssicherheit fest.

Angesichts all dieser Standards und Vorschriften ist die Einhaltung der Compliance ein komplexer und zeitaufwändiger Prozess. Er erfordert eine sorgfältige Dokumentation und umfangreiche Tests. Ingenieure können diesen Aufwand optimieren, indem sie kontinuierliche Tests in ihre CI/CD-Pipeline integrieren und Testautomatisierungslösungen wie die folgenden nutzen, um die Compliance-Anforderungen effizienter zu erfüllen:

• Statische Analyse
• Unit-Test
• Strukturelle Codeabdeckung
• Rückverfolgbarkeit der Anforderungen

Jeder Standard stellt unterschiedliche Anforderungen, überschneidet sich jedoch in wichtigen Bereichen wie Sicherheitsanalyse, Reife der Softwareentwicklung und Risikominimierung. Eine detaillierte Dokumentation, wie Sicherheitspläne, technische Sicherheitsanforderungen und Software-Sicherheitsnachweise, ist für die Rückverfolgbarkeit von den Anforderungen bis zu den Testergebnissen von entscheidender Bedeutung.

Um die Einhaltung dieser Standards sicherzustellen, sind die folgenden Punkte von wesentlicher Bedeutung.

• Aufrechterhaltung einer detaillierten Dokumentation und Rückverfolgbarkeit über alle Entwicklungsphasen hinweg.
• Befolgen eines strukturierten V-Modell-Prozesses mit einer agilen Entwicklungsmethodik.
• Durchführung regelmäßiger Sicherheitsprüfungen und unabhängiger Bewertungen.

Echtzeitleistung in verschiedenen Szenarien

ADAS-Systeme arbeiten in Echtzeit und verarbeiten riesige Mengen an Sensordaten, um sekundenschnelle Entscheidungen zu treffen. Eine Verzögerung bei der Erkennung von Fahrzeugen, Fußgängern oder Straßengefahren kann zu Unfällen führen. Die Validierung muss ADAS daher unter verschiedenen Bedingungen testen, beispielsweise:

• Stadtstraßen mit starkem Verkehr
• Autobahnen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und einfädelnden Fahrzeugen
• Plötzliche Fußgängerüberwege
• Extreme Wetterbedingungen wie Nebel, starker Regen und Schnee

Der Aufbau eines robusten Testrahmens, der reale Fahrszenarien präzise nachbilden kann, ist eine Herausforderung. ADAS-Ingenieure setzen auf simulationsbasierte Validierung und Hardware-in-the-Loop-Tests (HIL), um reale Testumgebungen zu schaffen, ohne Millionen von Kilometern auf der Straße zurücklegen zu müssen.

Der Parasoft C/C++-Test unterstützt HIL-Tests, auch bekannt als plattformübergreifende Tests. HIL-Tests können zwar Teil von Integrationstests sein, doch nicht alle Integrationstests beinhalten HIL.

Softwareintegrationstests können rein in einer virtualisierten Umgebung durchgeführt werden, während HIL-Tests speziell die Interaktion realer Hardware mit simulierten Umgebungen beinhalten. Dieses Angebot und diese Fähigkeit unterstützen Shift-Left-Zieltests, tragen zur Erhöhung der Codeabdeckung bei und können in CI/CD-Pipelines integriert werden.

Darüber hinaus ist das Sammeln von Testergebnissen und Codeabdeckungsdaten vom Zielsystem für die Validierung und die Einhaltung von Standards unerlässlich. Die Zielhardware verfügt möglicherweise über eine eingeschränkte physische Konnektivität, was das Abrufen von Testergebnissen erschwert. Glücklicherweise Parasofts C- und C++-Testlösungen ermöglichen das Extrahieren der Daten aus verschiedenen Ports, wie z. B. seriellen Ports, Ethernet-Ports (TCP/IP-Sockets), JTAG-Anschluss und anderen Methoden.

Herausforderungen mit KI und maschinellem Lernen in ADAS

Viele ADAS-Funktionen, wie z. B. adaptive Geschwindigkeitsregelung, Spurverlassenswarnungen und Objekterkennung, nutzen KI/ML, um die Entscheidungsfindung zu verbessern. Die Fähigkeit der KI, große Mengen an Sensordaten in Echtzeit zu verarbeiten, macht sie für moderne Fahrzeuge unverzichtbar.

Autonome Fahrsysteme nutzen beispielsweise KI, um Eingaben von LiDAR, Kameras und Radar zu interpretieren und so in komplexen Umgebungen zu navigieren. Neben der Autonomie verbessert KI die vorausschauende Wartung, personalisiert das Fahrerlebnis und optimiert die Energieeffizienz von Elektrofahrzeugen. KI verbessert zwar die Fahrzeugwahrnehmung und -automatisierung, bringt aber auch neue Herausforderungen für die Fahrzeugüberwachung und -verifizierung mit sich, insbesondere hinsichtlich der Erfüllung von Sicherheits- und Zertifizierungsanforderungen.

Unternehmen wie Waymo haben jedoch den Einsatz von KI und ihre Erfolge bei der Überwindung von V&V-Herausforderungen im Zusammenhang mit KI-Nichtdeterminismus, Sicherheitslücken, Echtzeitbeschränkungen und Zertifizierungen unter Beweis gestellt.

Heute expandiert Waymo mit seinen selbstfahrenden Flotten weltweit. KI-gesteuerte Funktionen wie adaptive Geschwindigkeitsregelung und Spurhalteassistent sind mittlerweile Standard und unterstreichen die Nachfrage der Verbraucher nach intelligenteren und sichereren Fahrzeugen.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, müssen Ingenieure verstehen, was künstliche Intelligenz beim Softwaretesten ist und wie sie bei der Verwendung von KI und ML in ADAS strenge Sicherheitsanforderungen erfüllen können.

Wie die Testlösungen von Parasoft die ADAS-Verifizierung und -Validierung gewährleisten

Die Testlösungen von Parasoft gewährleisten die ADAS-Verifizierung und -Validierung durch:

• Automatisierung kritischer Testprozesse.
• Verbesserung der Softwarequalität.
• Sicherstellung der Einhaltung von Industriestandards wie ISO 26262, ISO 21448 (SOTIF) und Automotive SPICE.

ADAS-Software ist äußerst komplex und erfordert strenge Tests, um reale Fahrszenarien, Grenzfälle und sicherheitskritische Funktionen zu bewältigen.

Die statische Analyse von Parasoft unterstützt die Durchsetzung von Codierungsstandards wie MISRA, AUTOSAR C++14 und CERT C und identifiziert potenzielle Fehler frühzeitig im Entwicklungszyklus. Die statische Analyse reduziert das Risiko von Softwarefehlern, die die ADAS-Leistung beeinträchtigen könnten, indem sie Probleme im Zusammenhang mit Speicherverwaltung, Parallelität und undefiniertem Verhalten erkennt.

Unit-Tests und strukturelle Codeabdeckung verbessern V&V zusätzlich, indem sie sicherstellen, dass einzelne Komponenten korrekt funktionieren und die Sicherheitsanforderungen erfüllen. Parasoft unterstützt die automatisierte Testgenerierung, Fehlerinjektionstests und Mutationstests und verbessert so die Softwarerobustheit.

Für die Integration und Validierung auf Systemebene bietet Parasoft die Rückverfolgbarkeit von Anforderungen und Compliance-Berichte und gewährleistet so vollständige Transparenz von den Anforderungen bis zur Testausführung. Dies ist unerlässlich, um die Einhaltung der ASIL-Anforderungen gemäß ISO 26262 nachzuweisen. Darüber hinaus ermöglicht die HIL-Integration die Verifizierung von ADAS-Algorithmen in simulierten Umgebungen vor dem Einsatz unter realen Bedingungen.

Die Lösungen von Parasoft unterstützen zudem die Testautomatisierung in CI/CD-Pipelines und ermöglichen so eine kontinuierliche Validierung von ADAS-Software während der gesamten Entwicklung. Diese Integration gewährleistet eine schnelle Erkennung von Regressionen und hilft Teams, eine hohe Softwarequalität aufrechtzuerhalten und gleichzeitig Produktveröffentlichungen zu beschleunigen.

ADAS-Entwickler verbessern die Sicherheit, reduzieren den Verifizierungsaufwand und beschleunigen die Markteinführungszeit fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme mit umfassenden automatisierten Testlösungen, Konformitätsüberprüfungen und risikobasierten Teststrategien.

Fazit

Verifizierung und Validierung sind in ADAS entscheidend, um Sicherheit, Standardisierung und öffentliches Vertrauen zu gewährleisten. Traditionelle Testverfahren haben jedoch mit der zunehmenden Komplexität von V&V in ADAS zu kämpfen.

ADAS-Teams können die Verifizierung und Validierung in ADAS mit automatisierten Testlösungen wie denen von Parasoft vereinfachen und stärken, die Defekte frühzeitig erkennen, die Konformität verbessern und die Gesamtsystemleistung steigern.