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Modellbasierte Testfallgenerierung Die Generierung von Testfällen aus Verhaltensmodellen ist eine geeignete Methode zur Funktionsabsicherung von vernetzten Steuergeräten. Die am VIRTUAL VEHICLE entwickelten Methoden und Werkzeuge erreichen eine hohe Skalierbarkeit und können einfach in bestehende Toolketten integriert werden. Stark steigender Testaufwand Die umfangreiche Weiterentwicklung von komplexen Elektrik/Elektronik Systemen in der Automobilindustrie bringt große Herausforderungen entlang des gesamten Entwicklungsprozesses – von der Systemspezifikation bis hin zur Funktionsabsicherung – mit sich. Der Grund dafür ist die starke Vernetzung der Funktionen untereinander und die dadurch entstehenden Abhängigkeiten. Das korrekte Zusammenspiel der Komponenten unter Berücksichtigung dieser Abhängigkeiten muss bei der Funktionsabsicherung durch Integrationstests verifiziert bzw. nachgewiesen werden. Dabei steigt der benötigte Testaufwand exponentiell mit der Anzahl an interagierenden Funktionen. Aufgrund der wachsenden Anforderungen die bei engem Kostenrahmen erfüllt werden müssen, ist die Steigerung der Effizienz durch weitere Automatisierung unumgänglich. Dieses Ziel kann durch den Einsatz von Methoden zur automatisierten Testfallgenerierung und deren vollständige Integration in die bestehende Testlandschaft erreicht werden. Testfallgenerierung - der Schlüssel zur weiteren Testautomatisierung Die manuelle Erstellung von Testfällen ist aufgrund der benötigten Anzahl und den zu Abbildung 1: Testfallgenerierungsprozess bei Verwendung von Verhaltensmodellen Quelle: Area Vehicle E/E & SW, ViF 30 magazine Nr. 11, I-2012 berücksichtigenden Abhängigkeiten der Funktionen untereinander aufwendig und dadurch kostenintensiv. Vor allem bei der Entwicklung von Integrationstests sind die Auflösung dieser Abhängigkeiten und das Bestimmen der Eingabeparameter bzw. der Verifikationsdaten ein aufwändiges und fehleranfälliges Unterfangen. Die am VIRTUAL VEHICLE entwickelte Methode automatisiert diesen Schritt und ermöglicht die automatische Berechnung dieser Werte auf Basis von Verhaltensmodellen wie in Abbildung 1 dargestellt. Dabei beschreiben Verhaltensmodelle das reaktive Verhalten der kommunizierenden Steuergeräte und können durch den Einsatz geeigneter Werkzeuge zur Simulation des Steuergeräteverhaltens verwendet werden. Zur Erstellung der Verhaltensmodelle werden Zustandsmaschinen der Unified Modeling Language (UML) verwendet, die sich in den letzten Jahren als de facto Industriestandard durchgesetzt hat. Dies spiegelt sich auch in der Anzahl an kommerziellen verfügbaren UML Modellierungswerkzeugen wie Enterprise Architect oder Rhapsody wieder, die eine professionelle Modellentwicklung ermöglichen. Die Testfallgenerierung kann anhand eines vorgegebenen Testziels oder zufallsbasiert erfolgen. Das Testziel wird von einem Testingenieur innerhalb der UML Zustandsmaschinen durch die Auswahl von Transitionen und Zuständen definiert, die dann vom generierten Testfall ga- rantiert durchlaufen bzw. erreicht werden. Die zufallsbasierte Generierung erfolgt vollautomatisch, wobei durch die Definition von Wahrscheinlichkeiten eine Möglichkeit zur Steuerung bzw. zur Fokussierung auf bestimmte Modellbereiche besteht. Herausforderungen in der automatisierten Testfallerstellung Der limitierende Faktor bei der Generierung von Testfällen ist die sogenannte Zustandsraumexplosion. Dabei ist die vom verwendeten Modell abhängige exponentiell wachsende Anzahl an Systemzuständen gemeint, die während der Testfallgenerierung berücksichtigt werden müssen. Ein Systemzustand beschreibt den konkreten Status bzw. die Eigenschaften des Systems zu einem definierten Zeitpunkt. Die Anzahl an möglichen Systemzuständen eines mit Verhaltensmodellen beschriebenen Systems hängt im Wesentlichen von den folgenden drei Einflussfaktoren ab: • Modellgröße • Verwendung von Daten • Kommunikation Zur Bestimmung der Modellgröße wird die Anzahl der möglichen Kombinationen der in den verschiedenen Verhaltensmodellen enthaltenen Zustände herangezogen. Die Verwendung von Daten in Form von Vari-
Abbildung 4: Systemarchitektur bestehend aus drei kommunizierenden Verhaltensmodellen, die über einen Bus wie z.B. CAN oder MOST verbunden sind. Quelle: Area Vehicle E/E & SW, ViF ablen in den Zustandsmaschinen bzw. als Parameter zum Datenaustausch zwischen den Modellen intensiviert die Situation erheblich. Der Grund dafür ist, dass jede mögliche Wertekombination der vorhandenen Variablen einen zusätzlichen Systemzustand beschreibt. Abhängig von der Architektur des Systems, kann die Kommunikation zwischen den Steuergeräten bzw. den Verhaltensmodellen einen erhebliche Komplexitätssteigerung bedeuten. Dies resultiert aus der asynchronen Kommunikation wie sie bei Bussystemen wie CAN oder MOST üblich sind, da jede mögliche Sendereihenfolge von Busnachrichten mit zusätzlichen Systemzuständen berücksichtigt werden muss. Eine Systemarchitektur ist beispielhaft in Abbildung 2 dargestellt. Erhöhte Skalierbarkeit durch fokussierte Generierungsalgorithmen Die Sicherstellung der Anwendbarkeit der Testfallgenerierungsmethoden im industriellen Umfeld wurde durch Algorithmen zur Verbesserung der Skalierbarkeit erreicht. Diese Algorithmen ermöglichen eine Fokussierung der Generierung auf den jeweils benötigten Teil des Zustandsraumes und können so die Anzahl der Möglichkeiten massiv reduzieren. Des Weiteren ist es dem Testingenieur möglich, gezielt Rahmenbedingungen für die Fokussierung vorzugeben, um die Generierung optimal auf die verwendeten Modelle abzustimmen. Diese Techniken werden zusätzlich durch die symbolische Verarbeitung von Daten unterstützt, bei der logische Ausdrücke anstatt konkreter Werte zur Berechnung von Eingabeparametern verwendet werden. Durch die Kombination dieser Methoden ist es möglich, automatisiert Testfälle für komplexe verteilte Systeme zu generieren. Integration in bestehende Prozesse und Werkzeuge Ein wichtiges Kriterium für die Einführung einer modellbasierten Testfallgenerierung ist die nahtlose Integration der Generierungswerkzeuge in die bestehende Testlandschaft. Die Durchgängigkeit der Toolkette wird durch die Einbindung der Schnittstellen der bestehenden Testautomatisierung in die Verhaltensmodelle erreicht. Die Schnittstellen der Testautomatisierung werden vor der Ausführung mit den generierten Testfällen verknüpft. Dies geschieht anhand der durchlaufenen Pfade der Testfälle im Verhaltensmodell, die eine eindeutige Abbildung auf die zu verwendenden Schnittstellen ermöglicht. Schlussfolgerung Abbildung 3: Zustandsabdeckung Abbildung 2: Transitionsabdeckung Die Verwendung von modellbasierten Testgenerierungsmethoden basierend auf Verhaltensmodellen ermöglicht durch die maschinelle Berechnung von Eingabeparametern und Verifikationswerten eine weitere Automatisierung in der Funktionsabsicherung. Die hier vorgestellte Methodik erlaubt eine effiziente Modellierung und ermöglicht die einfache Integration einer bestehenden Testlandschaft. Die dadurch entstehende integrierte Toolkette ermöglicht eine schnelle Erreichung der geforderten Testziele. Mit den entwickelten Methoden zur Testfallgenerierung unterstützt das VIRTUAL VEHICLE die Industrie mit neuen Konzepten und Werkzeugen, um den steigenden Anforderungen an die Funktionsabsicherung gerecht zu werden. ■ Zum Autor DI Christian Schwarzl ist Senior Researcher und Projektleiter am VIRTUAL VEHICLE. magazine Nr. 11, I-2012 31
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