Hierarchische Versionierung in der Entwicklung von Fahrzeugnetzwerken

Moderne Premiumfahrzeuge enthalten bis zu 150 elektronischer Steuergeräte, welche über verschiedene Datenbusse miteinander kommunizieren. In der Entwicklung müssen hierzu diverse Parameter festgelegt und mit allen beteiligten Hard- und Softwarezulieferern abgestimmt werden. Für die Mikrocontroller-basierten Steuergeräte werden Datenformate und Übertragungspfade bei der Planung, statisch und Bit-genau in einer sogenannten Kommunikationsmatrix (K-Matrix) festgelegt. Deren Parameter sind ein wesentlicher Bestandteil der Steuergerätesoftware.

Durch die Megatrends Elektrifizierung, automatisiertes Fahren und Konnektivität (zwischen Fahrzeug und Internet, Apps und Infrastruktur wie z.B. ... mehrAmpeln oder Tiefgaragen) steigt die Menge der innerhalb eines Fahrzeugs zu übertragenden Informationen rapide an. Mit der Anzahl der Steuergeräte und der Menge der zu verarbeitenden Informationen wächst die Herausforderung diese Kommunikation zu planen. Hinzu kommt, dass die nachträgliche Erweiterbarkeit eines Fahrzeugs durch zusätzliche Softwarefunktionen immer mehr Bedeutung gewinnt. Softwarebasierte Innovationen sollen deutlich schneller in Fahrzeuge eingebracht werden und Kundinnen und Kunden erwarten neue Softwarefunktionen auch nach dem Kauf eines Fahrzeugs. Gleichzeitig bestehen Domänen, in denen, aufgrund ausgereifter Technologie, nur selten Änderungen notwendig sind.

Zur Vermeidung unnötiger Entwicklungskosten werden bei ausgereiften Steuergeräten größere Entwicklungszyklen (d.h. größere Intervalle zwischen zwei Softwareversionen) und eins-zu-eins-Übernahmen zwischen Baureihen angestrebt. In den wettbewerbsrelevanten, innovativeren Domänen werden dagegen kürzere Entwicklungszyklen angestrebt, um ein hohes Innovationstempo zu erreichen. Durch die starke Abhängigkeit zwischen der (Fahrzeug-globalen) Kommunikationsmatrix und der Steuergerätesoftware muss aktuell auf eine einheitliche Geschwindigkeit für Änderungen am Fahrzeugnetz gesetzt werden, die einen Kompromiss zwischen den beiden sinnvollen, aber widersprüchlichen Anforderungen bildet.

Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein Verfahren zur K-Matrix-Entwicklung erarbeitet, welches den Widerspruch aufhebt und unterschiedliche Entwicklungszyklen für Steuergeräte eines gemeinsamen Fahrzeugnetzwerkes ermöglicht. Durch die Umwandlung inkompatibler Änderungen von Kommunikationselementen in rückwärtskompatible Erweiterungen können Steuergeräte, deren Softwarestände auf unterschiedlichen K-Matrix-Versionen basieren, sinnvoll kombiniert werden. Dies ermöglicht eine Entwicklung in unterschiedlichen, bedarfsgerechten Zyklen.
Durch die Erweiterung der Kommunikationselemente kommt es zu einem Anstieg der benötigten Bandbreite auf den Fahrzeugbussen. Die Dauer, über die die Kompatibilität zu älteren Ständen gewahrt bleibt, ist wählbar, wobei mit zunehmender Kompatibilitätsdauer der Bandbreitenbedarf steigt. Durch Erweiterungen auf unterschiedlichen Ebenen der hierarchisch strukturierten Kommunikation wird der zusätzliche Bandbreitenbedarf minimiert.

Es wird ein Modell aufgestellt, mit dem sich der zusätzliche Bandbreitenbedarf in Abhängigkeit von den gewählten Kompatibilitätsdauern abschätzen lässt. Durch Simulationen auf Basis sämtlicher K-Matrix Entwicklungsstände eines realen Fahrzeugentwicklungsprozesses wurde das Modell überprüft. Es zeigte sich, dass der Zuwachs an benötigter Bandbreite in einem akzeptablen Bereich liegt, wobei für optimale Ergebnisse die Kompatibilitätsdauern an die jeweiligen Phasen des Entwicklungsprozesses angepasst werden können. Der reduzierte, zusätzliche Bandbreitenbedarf durch die kompatiblen Erweiterungen auf mehreren Hierarchieebenen wird sowohl durch das Modell als auch die Simulationen bestätigt.

Die praktische Anwendbarkeit des entwickelten Verfahrens wird unter Berücksichtigung der aktuell eingesetzten und zukünftigen Vernetzungstechnologien diskutiert. Dabei werden auch die Auswirkungen des potenziellen Bandbreitenzuwachses sowie die Herausforderungen bei der Adaption durch einen realen Fahrzeughersteller diskutiert.

Modern premium vehicles contain up to 150 electronic control units (ECUs), which communicate with each other via various data buses. During development, numerous parameters must be defined and coordinated with all involved hardware and software suppliers. For microcontroller-based ECUs, data formats and transmission paths are planned, statically and bit-accurately, in a so-called communication matrix (K-matrix). The parameters of the K-matrix are an essential part of the ECU software.

Due to megatrends such as electrification, automated driving, and connectivity (between vehicle and the Internet, apps, and infrastructure like traffic lights or parking garages), the amount of information to be transmitted within a vehicle is rapidly increasing. ... mehrAs the number of ECUs and the amount of information to be processed grow, so does the challenge of planning this communication. Additionally, the ability to retrofit a vehicle with additional software functions is gaining more importance. Software-based innovations need to be integrated into vehicles much faster, and customers expect new software functions even after purchasing a vehicle. At the same time, there are domains where changes are rarely necessary due to mature technology.

To avoid unnecessary development costs, larger development cycles (i.e., longer intervals between software versions) and one-to-one reuse between model series are pursued for mature ECUs. In contrast, shorter development cycles are sought in competitive, more innovative domains to maintain a high pace of innovation. Due to the strong dependency between the vehicle global communication matrix and the ECU software, a common development speed for all nodes in the vehicle network is currently necessary. This forms a compromise between the two sensible but contradictory requirements for development speed.

This dissertation developed a method for K-matrix development that resolves this contradiction and enables different development cycles for ECUs within a common vehicle network. By converting incompatible changes in communication elements into backward-compatible extensions, ECUs with software, based on different K-matrix versions, can be meaningfully combined. This allows for development in different, needs-based cycles.

However, the extension of communication elements leads to an increase in the required bandwidth on the vehicle buses. The duration for which compatibility with older states is maintained is selectable, with the bandwidth demand increasing with longer compatibility durations. By making extensions at different levels of the hierarchically structured communication, the additional bandwidth requirement is minimized.

A model is established to estimate the additional bandwidth demand based on the chosen compatibility durations. The model was verified through simulations based on all K-matrix development stages of a real vehicle development process. It was found that the increase in required bandwidth is within an acceptable range, with optimal results achieved by adjusting the compatibility durations to the respective phases of the development process. The reduced additional bandwidth requirement due to the compatible extensions at multiple hierarchical levels is confirmed by both the model and the simulations.

The practical applicability of the developed method is discussed, considering current and future networking technologies. This discussion also addresses the impact of potential bandwidth increases and the challenges of adaptation by a real vehicle manufacturer.