Production-Optimized Software Architecture for Automotive Industry Based on AUTOSAR Classic

In den letzten Jahren ist die Bedeutung der Fahrzeugsoftware sowohl bezüglich der Menge als auch der Frequenz von Softwareupdates stark gestiegen. Allerdings bringt diese rasante Evolution der Fahrzeugsoftware häufig Herausforderungen im Software-Lebenszyklus mit sich, insbesondere während der Fahrzeugproduktion. Die Stabilität und Effizienz der Produktion können beeinträchtigt werden, weil die aktuelle Software auf den Steuergeräten installiert und immer mehr Fahrzeugfunktionalitäten während der Endmontage in Betrieb genommen werden müssen.

Dadurch entstehen Herausforderungen wie zum Beispiel verlängerte In-Line-Flashing-Zeiten und fehlgeschlagene Inbetriebnahmeprozesse, die zu manueller Nacharbeit und ungeplanten Produktionsunterbrechungen führen können. ... mehrDies stellt die Hersteller vor die Herausforderung, die sich immer schneller entwickelnden Softwaresysteme mit der Produktionskapazität und den Kostenzielen in Einklang zu bringen. Die vorliegende Arbeit erläutert die aktuelle Herausforderung bezüglich der mikrocontroller-basierten Fahrzeugsoftware, die überwiegend in der AUTOSAR-Classic-Plattform (CP) entwickelt wird, aus Sicht der Fahrzeugproduktion. Daraus zeigt die Arbeit die bestehende Lücke in Bezug auf eine produktionsoptimierte Fahrzeugsoftwarearchitektur auf.

Um diese Lücke zu schließen, wird das Konzept der Produktionsorientierten Softwarepartitionierung (POSP) vorgestellt, eine neuartige Softwareverteilung basiert auf CP, die produktionsbezogene Softwareteile physisch isoliert. Innerhalb der vorgestellten Verteilung soll die Software in einen stabilen Basisteil und mehrere Kundenteile aufgeteilt werden. Der Basisteil ist für den Produktionseinsatz vorgesehen und erfordert nur seltenere Aktualisierungen, während die Kundenteile sich häufig verändernde Funktionen implementieren. Diese Teile lassen sich individuell kompilieren und installieren und ermöglichen so eine flexible Softwarebereitstellung in der Endmontage. Beispielsweise kann nur der Basisteil anstatt des gesamten Softwaresystems während der Endmontage aufgespielt werden. Dadurch kann die Dauer des In-Line-Flashings durch die reduzierte Datenmenge verkürzt werden und die Ergebnisse der Inbetriebnahme von den sich häufig verändernden Kundenteilen entkoppelt werden.

Darüber hinaus untersucht die Arbeit Eigenschaften von POSP, darunter den Bedarf an Inter-Teile-Kommunikationsschnittstellen, Arbitrationsmechanismen zur Auflösung von Konflikten zwischen überlagerten Ausgängen, und zusätzliche Ressourcen. Ferner wird eine systematische Methodologie vorgestellt, mit der sich vorhandene Legacy-Systeme mit Hilfe von POSP umwandeln lassen. Hierfür wird eine redundanzbasierte Software-Trennungsmethode vorgestellt, die signalbasierte, modelgetriebene Softwaresysteme berücksichtigt.

Das vorgestellte Konzept und die eingeführte Methodologie werden durch einen Prototyp validiert. Der Prototyp wurde auf einem Mikrocontroller mit einer voll funktionsfähigen CP implementiert. Außerdem demonstriert der aufgebaute Prototyp die Durchführbarkeit und das Potential von POSP, kurzfristig in die Serienentwicklung integriert zu werden. Die Ergebnisse der prototypischen Umsetzung zeigen eine deutliche Reduktion der Datenmenge, die beim In-Line-Flashing übertragen werden muss, wenn während der Endmontage nur der Basisteil installiert werden muss. Zudem wird eine verbesserte Zuverlässigkeit während der Inbetriebnahme erreicht.

In recent years, the significance of in-car software has grown substantially in terms of the quantity and frequency of software updates. However, the rapid evolution of software often incurs challenges across its life cycle, particularly within automotive production. The stability and efficiency of automotive production are compromised due to the need to install the latest software packages and commission functions on assembly lines. Issues provoked by in-car software such as prolonged in-line flashing times and failed commissioning procedures can lead to manual workarounds and unplanned production stops. ... mehrConsequently, car manufacturers are facing the ongoing challenge of balancing evolving software systems with production capabilities while adhering to cost targets.

This thesis elaborates on the challenges associated with microcontroller-based in-car software, which predominantly developed within the AUTOSAR Classic Platform (CP), from a manufacturing perspective. It highlights a gap in existing software architectures: the insufficient consideration of production requirements. To bridge this gap, the thesis introduces Production-Oriented Software Partitioning (POSP), a novel software distribution based on the CP that physically isolates production-related software. Under the proposed distribution, the software is divided into a stable basic part for production usage, and one or more customer parts, which implement frequently evolving features. These parts can be compiled and installed independently, enabling flexible software deployment. A potential application is to flash only the basic part during production instead of the entire software system. This usage scenario can reduce the duration of in-line flashing by lowering the software size and ensure that commissioning and testing results remain independent from frequently changing customer parts.

The thesis further elaborates on the characteristics of POSP, including the need for inter-part communication interfaces, arbitration mechanisms to resolve conflicting outputs, and the additional resource. Additionally, a systematic methodology is proposed to refactor legacy software systems into POSP. A redundancy-based partitioning approach is proposed to handle signal-based, model-driven software systems.

The concept and methodology are validated through a prototype implemented on an industry-grade microcontroller running a fully functional CP platform. This demonstration proves the feasibility of POSP and the potential of series-production integration. Experimental results show a notable reduction in the software size required during in-line flashing and improved reliability during commissioning and testing within automotive production.